BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. Ústav nauky o dřevě

Transkript

1 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Ústav nauky o dřevě BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Bobtnání jasanového dřeva ve vodě, acetonu, benzaldehydu cyklohexanu a toluenu 2009 Pavel Šudřich

2

3 Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Bobtnání dřeva jasanu ve vodě, acetonu, toluenu, benzaldehydu a cyklohexanu vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Souhlasím, že moje bakalářská práce smí být zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách a uložena v archivu ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby zveřejněných 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:

4 Poděkování: Nejprve bych chtěl poděkovat vedoucímu mojí bakalářské práce Ing. Hanuši Vavrčíkovi, Ph.D, a také Ing. Vladimíru Grycovi, Ph.D, za konzultace, ochotu a trpělivost při řešení problémů a otázek týkající se mé práce. Taktéž bych chtěl poděkovat doc. Ing. Danieli Tesařové, Ph.D, za pomoc a rady týkajících se zvolených kapalin. Dále bych chtěl poděkovat Ústavu nauky o dřevě za to, že mi poskytl potřebné materiály a vybavení pro realizaci bakalářské práce. Na závěr bych chtěl poděkovat svým rodičům za to, že mi umožnili studovat na této škole a v průběhu studia mě plně podporovali.

5 Abstrakt: Autor: Název práce: Pavel Šudřich Bobtnání jasanového dřeva ve vodě, acetonu, toluenu, benzaldehydu a cyklohexanu Cílem této bakalářské práce je zjistit bobtnání dřeva jasanu (Fraxinus excelsior L.) ve vodě, acetonu, benzaldehydu, cyklohexanu a toluenu. Data získaná experimentálním měřením vycházejících ze standardních technických norem ČSN , ČSN , ČSN , ČSN , ČSN ) jako jsou celkové bobtnání, koeficienty bobtnání a nasáklivost. V teoretické části jsou jednotlivé vlivy na bobtnání dřeva jasanu popsány a diskutovány. V praktické části jsou uvedeny naměřené hodnoty,které jsou statisticky zpracovány a porovnány mezi sebou a s daty uvedenými v literatuře. Rozdílné výsledky byly získány u celkového bobtnání dřeva jasanu ve vodě, odchylka byla patrně způsobena použitím pouze 12-ti stromů ze dvou lokalit. U zjišťování tangenciálního bobtnání jasanového dřeva v acetonu jsem došel k závěru, že je téměř totožné s tangenciálním bobtnáním u Javoru cukrového. Bobtnání v benzaldehydu bylo nepatrné. Hodnota byla o 95,5 % nižší než bobtnání ve vodě a hodnota MNBS byla o 2 / 5 nižší než u vody. Tangenciální bobtnání v benzaldehydu se nepodařilo ověřit, ale blíží se ke smrku sitka. Nejmenší hodnoty bobtnání a nasáklivosti měly vzorky jasanu v kapalinách toluenu a cyklohexanu. Klíčová slova: Bobtnání dřeva, nasáklivost, jasan, voda, aceton, toluen, benzaldehyd, cyklohexan 5

6 Abstrakt: Autor: The name of the work: Pavel Šudřich Swelling of ash wood in water, acetone, toluene, benzaldehyde and cyklohexane Aim those baccalaureate work is to find out swelling of wood ash (Fraxinus excelsior L.) in water, acetone, benzaldehyde, cyclohexane and toluene. Data gained experimental metering orient from standard technical norms ČSN , ČSN , ČSN , CSN , ČSN ) as are general swelling, coefficient swelling, absorbability. In theoretic part are individual influences on swelling of wood ash circumscribed and discusseds. In practical part are mentioned measured funds,that are statistically processed and compared with one another and with data mentioned in literature. Different record was gained near of the total swelling of wood ash in water, departure was evidently incurred by using only 12-the treenear from two localities. U recognition tangent swelling ashen wood in acetone am get to closethat the is almost identical with tangent swelling near maple sugar. Swelling in benzaldehyde was slight. Value was about 95,5 % inferior to swelling in water and value MNBS was about 2 / 5 lower than in waters. Tangent swelling in benzaldehyde miss verify, but nears to spruce situs. Smallest funds swelling and absorbability have had exhibits ash in liquids toluene and cyclohexane Keywords: Swelling of wood, absorbability, ash, water, acetone,toluene, benzaldehyde, cyclohexane 6

7 1 Úvod Cíl práce Literární přehled Jasan ztepilý (Fraxinus excelsior L) Popis dřeviny Makroskopické znaky dřeva jasanu Mikroskopické znaky dřeva jasanu Chemické složení dřeva jasanu Fyzikální vlastnosti dřeva jasanu Využití dřeva jasanu Bobtnání dřeva Faktory ovlivňující bobtnání dřeva Mez nasycení buněčných stěn a mez hygroskopicity Nasáklivost Teorie sorpce Monomolekulární sorpce Polymolekulární sorpce Kapilární kondenzace Bobtnání dřeva v různých kapalinách Výzkum v oblasti bobtnání dřeva v organických kapalinách Vliv teploty na maximální bobtnání dřeva Charakteristika kapalin Voda Aceton Toluen Cyklohexan Benzaldehyd Materiál a metodika Stanovení maximálního bobtnání a nasáklivosti Materiál Zařízení a pomůcky Metodika

8 5 Výsledky Bobtnání a nasáklivost jasanového dřeva ve sledovaných kapalinách Hustota absolutně suchého dřeva Bobtnání a nasáklivost jasanového dřeva ve vodě Bobtnání a nasáklivost jasanového dřeva v acetonu Bobtnání a nasáklivost jasanového dřeva v toluenu Bobtnání a nasáklivost jasanového dřeva v benzaldehydu Bobtnání a nasáklivost jasanového dřeva v cyklohexanu Srovnání bobtnání a nasáklivosti v jednotlivých kapalinách Diskuze Hustota jasanu ztepilého (Fraxinus excelsior L.) Bobtnání a nasáklivost jasanu ve vodě Bobtnání a nasáklivost jasanu v acetonu Bobtnání a nasáklivost jasanu v toluenu Bobtnání a nasáklivost jasanu v benzaldehydu Bobtnání a nasáklivost jasanu v cyklohexanu Závěr Summary Použitá literatura

9 1 Úvod Dřevo je organický anizotropní materiál patřící mezi obnovitelné zdroje energie, jako jeden z druhů biomasy. Je to snadno dostupný přírodní materiál, který lidé široce využívají po celou dobu své historie. Nejvíce se používá v dřevařském a nábytkářském průmyslu taktéž se hojně využívá v celulózopapírenském průmyslu a jako palivo. Proto je důležité znát co nejlépe všechny jeho vlastnosti. Celkové bobtnání (α) je schopnost dřeva přijímat kapaliny a zvětšovat svoje rozměry ve všech anatomických směrech, také zvyšuje svoji hmotnost a mění se mechanické vlastnosti. Při bobtnání pohlcuje dřevo vlhkost ze svého okolí (vodu vázanou v rozsahu vlhkosti 0 % MH (MNBS). Po dosažení tohoto bodu dřevo dále nezvětšuje své rozměry ale zvyšuje se jeho hmotnost. Pro praxi i výzkum je nutné vědět jak se dřevo chová při styku s různými kapalinami. Toho je následně využíváno při ochraně dřeva, povrchových úpravách, rozvlákňování.. 9

10 2 Cíl práce Cílem této bakalářské práce je zjistit bobtnání dřeva jasanu ztepilého (Fraxinus excelsior L.) ve vodě, acetonu, toluenu, benzaldehydu a cyklohexanu. Hlavním úkolem je dosažení maximálního bobtnání, dále vyjádření veličin jež charakterizují chování dřeva jasanu ve zvolených kapalinách, kterými jsou hodnoty celkového bobtnání a koeficienty bobtnání. Výsledné hodnoty jednotlivých kapalin budou porovnány mezi sebou a s údaji uváděnými v literatuře. 10

11 3 Literární přehled 3.1 Jasan ztepilý (Fraxinus excelsior L) Popis dřeviny Jasan ztepilý (Fraxinus excelsior L.), je opadavý, až 40 m vysoký strom s kmenem o průměru až 1 m. Borka v mládí hladká, ve stáří podélně brázditá, zprvu šedá, později až šedočerná. Listy vstřícné, lichozpeřené, se 7 až 15 lístky, které jsou podlouhlé na okraji pilovité, lehce přisedlé, koncový lístek řapíkatý. Plodem jsou křídlaté nažky ( Jasanové dřevo je velmi kvalitní, tvrdé a pružné, užívá se zejména při výrobě nábytku, sportovního náčiní, v truhlářství, atd (Matovič et al.; 1992). obr. 1: Fraxinus excelsior - jasan ztepilý ( obr. 2: list jasanu ztepilého 11

12 3.1.2 Makroskopické znaky dřeva jasanu Dřevo jasanu patří do skupiny dřev listnatých s kruhovitě pórovitou stavbou dřeva (zřetelná hranice mezi jarním a letním dřevem). Má vylišeno jádro a běl. Běl je široká (nad 5 cm) nažloutlá, narůžovělá. Jádro je světlehnědé až hnědé (jádrová dřevina s vyzrálým dřevem). Pozvolný přechod mezi jádrem a bělí. Makropóry tvoří v zóně jarního dřeva zřetelné póry, které na podélných řezech vytváří množství zřetelných rýh (obr. 3, b, c). Mikropóry jsou pouhým okem nezřetelné a netvoří v letním dřevě žádná charakteristická uskupení. Dřeňové paprsky jsou zřetelné pouze na radiálním řezu (obr. 3, b), na kterém tvoří malá nezřetelná zrcátka. (Šlezingerová, Gandelová; 2001). Jasanové dřevo je středně těžké a tvrdé. Hustota dřeva v absolutně suchém stavu se udává okolo ρ 0 = 670 kg m -3 ( kg m -3 ). Průměrná čelní tvrdost při w = 12 % se udává přibližně 80 MPa (Wagenführ et al.; 1974, Matovič et al.; 1992, Horáček; 2001). a) příčný řez b) radiální řez c) tangenciální řez Obr. 3: Makroskopická stavba dřeva jasanu (Vavrčík et al.; 2002) 12

13 3.1.3 Mikroskopické znaky dřeva jasanu Listnaté dřevo je vývojově mladší, má složitější stavbu a skládá se z většího množství buněk než dřevo jehličnaté. Je tvořeno čtyřmi základními anatomickými elementy: - tracheje (cévy): vodivá funkce - tracheidy (cévice): (přechodné a.e.) - cévovité s vodivou funkcí - libriformní vlákna: mechanická funkce - parenchymatické buňky: zásobní funkce - vláknité s mechanickou funkcí diagnostický znak hodnota viditelnost na řezech vrstevnatost dř. paprsků 1 4 P, T uspořádání jarních cév převážně jednotlivě P uspořádání letních cév bez seskupení P typ perforace cév jednoduchá R výskyt thyl v cévách ano P, R, T typ dřeňových paprsků homogenní R, T typ ax. parenchymu apotracheálního hraniční P typ ax. parenchymu paratracheálního vazicentrický P přítomnost a typ tracheid ne R, T Tab.1: Tabulka vybraných mikroskopických znaků dřeva jasanu (Šlezingerová, Gandelová; 2002) Na příčném řezu (obr. 4a) jsou póry zřetelně rozlišeny na makropóry (příčný rozměr nad 100 µm) a mikropóry (do 100 µm). Těmito dvěma anatomickými elementy je zřetelně vylišena hranice mezi jarním a letním dřevem (hranice letokruhu). Makropóry (tenkostěnné jarní cévy) jsou soustředěny v jarním dřevě a jsou uspořádány v jedné nebo více převážně nesouměrných vrstvách, je zde možný výskyt thyl. Mikropóry (tlustostěnné letní cévy) jsou nepravidelně rozptýleny v zóně letního dřeva. Základní pletivo je tvořeno libriformními vlákny (tlustostěnné buňky) Dřeňové paprsky jsou 1 4 vrstevné, homogenní. Podélný dřevní parenchym je převážně paratracheální vazicentrický (Šlezingerová,Gandelová; 1994). 13

14 a) příčný řez b) radiální řez c) tangenciální řez Obr. 4: Mikroskopická stavba dřeva jasanu (Vavrčík et al.; 2002) Chemické složení dřeva jasanu Všeobecně se dřevo po chemické stránce skládá z organických látek celulózy, hemicelulózy a ligninu dále jsou ve dřevě obsaženy tuky a bílkoviny. Kromě těchto organických (spalitelných) látek jsou ve dřevě obsaženy i látky anorganické minerální, z nichž po spálení vzniká popel. Celulóza (C6H10 O5)n polysacharid, tvoří dlouhé vláknité makromolekuly, které vznikají spojením β-d glukopyranózových jednotek (1-4) β-d glykosidovými vazbami. Je základní složkou buněčné stěny. Existují 2 strukturální typy krystalická část cca 70 % a amorfní část cca 30 %. Chemicky velmi stálá. Nerozpouští se ve vodě, lihu, acetonu, zředěných kyselinách a alkáliích (Požgaj et al.; 1997, Šlezingerová, Gandelová; 2005). 14

15 Hemicelulózy jsou lineární polysacharid. Dělí se na pentosany (ve dřevě listnáčů je jich obsaženo více) a hexosany (ve dřevě jehličnanů je jich obsaženo více). Má velký vliv na chemické a fyzikální vlastnosti dřeva. Nejvíce je to patrné při vaření paření a lisování dřeva. Chemicky je méně stálá než celulóza a její vlastnosti a složení nejsou tak složité jako u celulózy. Hemicelulózy doprovází celulózu v jednotlivých vrstvách buněčné stěny (Wagenführ; 1974). Lignin je polyfenolická amorfní látka, má aromatický charakter (fenylpropanové jednotky). Dodává dřevu pevnost zabezpečující dřevnatění jeho buněčných stěn. Ve dřevě jehličnanů je ho více než ve dřevě listnáčů. Lignin je tepelně málo stálý, jeho rozklad začíná už při C. Je termoplastický a vyznačuje se velkou absorbcí světla. Největší zastoupení má ve střední lamele a to % (Požgaj et al.; 1997). Doprovodné složky dřeva jsou převážně nízkomolekulové látky, nachází se v buněčných stěnách, lumenech a mezibuněčných prostorech. Vyskytují se ve dřevě jen v malých množstvích (3 10 %). Na rozdíl od hlavních složek dřeva jsou většinou rozpustné v rozpouštědlech a lze je oddělit extrakcí. Rozdělují se na anorganické a organické látky. Anorganické látky jsou obsaženy v popelu ( Ca, K, Mg, a Na). Organické látky Sacharidy (škroby, pektiny), Fenoly, Terpeny, acyklické kyseliny, alkoholy a bílkoviny (Požgaj et al.; 1997, Šlezingerová, Gandelová; 2005). Chemické složky Zastoupení (%) Celulóza 44,2 46,8 Lignin 21,3 30,4 Pentozany 22,6 26,7 Éterické složky 0,45 0,61 Popeloviny 0,35 0,67 Tab. 2: Vybrané jednotlivé složky ve dřevě jasanu (Kollmann; 1941, Wagenführ; 1974) 15

16 3.1.5 Fyzikální vlastnosti dřeva jasanu MNBS se u jasanu pohybuje od %. Průměrné hodnoty hustot (ρ kg m -3 ), (ρ kg m -3 ) a konvenční hustoty (ρ k 600 kg m -3 ) dřeviny (Fraxinus excelsior L.) (Horáček; 2001). Fyzikální vlastnosti Hodnoty (%) Objemová hmotnost dřeva v suchém stavu kg m -3 Objemová hmotnost dřeva při 12 % vlhkosti kg m -3 Objemová hmotnost dřeva v pokáceném stavu kg m -3 Bobtnání tangenciální α t přibližně 8 % Bobtnání radiální α r přibližně 5 % Bobtnání délkové α l 0,2 % Bobtnání objemové α v přibližně 13,2 % Pórovitost 57 % * Koeficient bobtnání Kα t 0,31 % * Koeficient bobtnání Kα r 0,19 % * Koeficient bobtnání Kα v 0,52 % Tab. 3: Vybrané fyzikální vlastnosti dřeva jasanu ve vztahu k bobtnání (Wagenführ,1974; Ugolev; 1975) Toto rozmezí hodnot je způsobeno druhem dřeviny a jeho anatomickou stavbou. Dále také rozdíly mezi jarním a letním dřevem, jádrem a bělí, stanovištními podmínkami, lokalitou, atd Využití dřeva jasanu Jasan má kvalitní kruhovitě pórovité dřevo, jež je značně pružné a ohebné a přitom dostatečně tvrdé. Vyrábí se z něj nábytek, dveře, zárubně, schodiště, dýhy, parkety, sportovní nářadí, hudební nástroje a topůrka či násady na různé nástroje. Dříve se z něj vyráběly také například lyže, ploty, kočárky a automobilové karoserie. ( 16

17 3.2 Bobtnání dřeva Bobtnání dřeva je fyzikání jev vyznačující se zvětšováním svých rozměrů při pohlcování vody vázané. Bobtnání je lokalizováno v buněčné stěně, kde dochází k oddalování či přibližování fibrilární struktury. Hygroskopická voda se ukládá do buněčných stěn, vniká mezi mikrofibrily a tlačí je od sebe, následkem toho se zvětšují rozměry buněčných stěn a celého dřeva. Bobtnání dřeva probíhá jen do meze nasycení buněčných stěn (MNBS). Další přijímaná voda, tzv. voda volná, se ukládá do buněčných dutin (lumenu), čímž už dále nemění rozměry, ale pouze se zvyšuje hmotnost. Dřevo nebobtná rovnoměrně, ale ze začátku je bobtnání rychlejší a s přibližováním se k vlhkosti MNBS se rychlost bobtnání snižuje. S bobtnáním a přibývající vlhkostí se zhoršují mechanické vlastnosti dřeva. Celkové bobtnání (α) nazýváme schopnost dřeva zvětšovat svoje lineární rozměry, plochu nebo objem při přijímání vázané vody v rozsahu vlhkosti 0 % MNBS. Rozeznáváme lineární bobtnání (v jednotlivých anatomických směrech podálném, radiálním a tangenciálním), plošné (změna plochy tělesa) a objemové (změna objemu tělesa). Bobtnání dřeva od absolutně suchého stavu do MNBS označujeme jako bobtnání celkové (maximální). Bobtnání dřeva v jakémkoliv menším intervalu nazýváme bobtnáním částečným. Bobtnání se vyjadřuje podílem změny rozměru k původní hodnotě a uvádí se nejčastěji v % (Gandelová et al.; 2008). Maximální bobtnání tak lze vypočítat ze vztahu: α i max i max = i0 i [% ] Kde: α imax. maximální bobtnání (V; L, T, R) (%) i max... hodnoty vlhkého vzorku (V; L, T, R) (m 3 ; m) i 0.hodnoty absolutně suchého vzorku (V; L, T, R) (m 3 ; m) 17

18 Bobtnání má také anizotropní charakter (to znamená, že v různých anatomických směrech bobtná rozdílně). Podél vláken je bobtnání velmi malé a nepřesahuje 1 %, průměrná hodnota celkového podélného bobtnání se pro naše dřeviny udává 0,1 0,4 %. V příčném směru dřevo bobtná mnohem více, v radiální směru 3 6 % a v tangenciálním směru 6 12 %. Velikost bobtnání závisí především na druhu dřeviny. Součtem jednotlivých lineárních bobtnání (podélného, tangenciálního, radiálního), získáme přibližnou hodnotu celkového objemového bobtnání. Bobtnání v jednotlivých anatomických směrech se často v literatuře vyjadřuje poměrem (Gandelová et al.; 2008). α : α : α = 20 : 10 : 1 t r l Hlavním důvod rozdílnosti bobtnání v jednotlivých anatomických směrech je dán orientací fibril v buněčné stěně. Vzhledem k tomu, že největší podíl z buněčné stěny připadá na S 2 vrstvu sekundární buněčné stěny (až 90 %), kde se orientace fibril příliš neodklání od podélné osy kmene (15 30 ), dochází k maximálním rozměrovým změnám ve směru napříč vláken. V této vrstvě je také největší obsah celulózy, která díky výraznému krystalickému podílu (70 %) předurčuje chování dřeva. Sekundární buněčná vrstva S Š způsobuje téměř konstantní rozměry lumenu, tudíž veškeré rozměrové změny působí směrem od lumenu ke střední lamele. Malé rozměrové změny v podélném směru se vysvětlují tím, že molekuly vody nemohou vnikat mezi fibrily do valenčního řetězce v podélném spojení díky silným chemickým vazbám. Lexa a kolektiv (1952) uvádí, že podélné bobtnání dřeva bude tím větší, čím větší odklon budou mít fibrily od osy vláken. Rozdílné bobtnání v radiálním a tangenciálním směru je vysvětlováno vetší tloušťkou buněčné stěny v tangenciálním směru než v radiálním (obr. 5) a orientací dřeňových paprsků v radiálním směru. Fibrily ve stěnách parenchymatických buněk jsou převážně orientovány v ose buňky (v radiálním směru) a toto uložení způsobuje restrikci hygroexpanze dřeva v radiálním směru (Horácek; 2001). 18

19 Obr. 5: Příčný řez buněčnou stěnou a) tloušťky jednotlivých vrstev; b) odklon fibril v jednotlivých vrstvách (ML střední lamela; P primární stěna; S sekundární stěna tvořená vnější S1, střední S2 a vnitřní S3 vrstvou; CML složená střední lamela; L lumen) (Grosser; 1985 ). Pro poměr mezi bobtnáním v radiálním a tangenciálním směru se používá termín diferenciální bobtnání. Hodnota diferenciálního bobtnání je závislá na hustotě dřeva a platí, že se daná hodnota s rostoucí hustotou snižuje. Proto mají jehličnaté dřeviny celkově vyšší hodnotu diferenciálního bobtnání (α dif ) než listnaté. Průměrná hodnota se udává kolem 2, běžně se však pohybuje v intervalu od 1 do 3,5 (Horácek; 2001). Hustota dřeva se zvyšuje s vlhkostí, ale hmotnost a objem dřeva nerostou stejným způsobem. Zatímco hmotnost dřeva roste se zvyšující se vlhkostí až do maximálního nasycení (maximální vlhkost dřeva), objem se zvyšuje jen do MNBS, (MH) (Horácek; 2001). Koeficient bobtnání Kα vyjadřuje procentickou změnu rozměrů při změně vlhkosti o 1 %. Výpočet a použití koeficientu bobtnání předpokládá, že změny rozměrů těles pod mez hygroskopicity jsou lineárně úměrné změnám vlhkosti, tento předpoklad není zcela přesný, ale jeho použití v praxi je dostačující ( Koeficienty bobtnání pro vybrané druhy dřevin uvádí tab. 4. Vztah pro výpočet koeficientu bobtnání dřeva: K α i = α i max MNBS 19

20 Druh Koeficient bobtnání (%/ 1 %w) dřeva Objemový Kα Radiální Kα Tangenciální Kα MD 0,61 0,2 0,39 BO 0,51 0,18 0,31 SM 0,5 0,17 0,31 BR 0,64 0,28 0,34 BK 0,55 0,18 0,35 JS 0,52 0,19 0,31 DB 0,5 0,19 0,29 Tab. 4: Koeficienty bobtnání u vybraných druhů dřev (Ugolev; 1975) Faktory ovlivňující bobtnání dřeva Rozměrové změny způsobené změnami vlhkosti v rozsahu vody vázané jsou ovlivňovány zejména vlhkostí, hustotou a anatomickou stavbou dřeva. Vlhkost dřeva ovlivňuje rozměrové změny nejvíce svým rozložením v průřezu tělesa, kdy nerovnoměrné rozložení způsobuje při vysýchání dřeva vznik vlhkostních a zbytkových napětí. Tato napětí v důsledku hygroelastického efektu mohou pozměnit výsledné rozměrové změny. Za dalším vliv je možno považovat nelineární závislost koeficientu bobtnání α a sesýchání β na vlhkosti dřeva v intervalu 0 5 % a 20 MNBS %. Průběh závislosti odpovídá zhruba tvaru sorpční izotermy a může být tedy vysvětlován stejně jako teorie sorpce (Horácek; 2001). Pokud se absolutně suché dřevo dostane do styku s vodou (kapalinou) nebo vodními parami, tak zpočátku přijímá vlhkost intenzivně, později je přijmání vlhkosti pozvolnější až do MNBS. Rychlost bobtnání je tím větší, čím více se vlhkost vzdaluje od dosáhnutí rovnovážného stavu (Požgaj et al.; 1997). Mezi α, β a hustotou dřeva je přímo úměrná závislost. Ovlivnění α a β hustotou dřeva souvisí s větším zastoupením chemických konstituent v jednotkovém objemu hustšího dřeva, tedy s vyšším počtem potenciálních sorpčních míst v tlustších buněčných stěnách elementů dřeva. Vzhledem k neměnnosti rozměru lumenu během hygroexpanze dřeva se vyšší hustota promítá do výraznějších rozměrových a objemových změn. 20

21 S rostoucí hustotou dřeva dochází také k výraznému modifikování tvaru anatomických elementů a zmenšování rozdílů v radiálním a tangenciálním směru, což způsobuje snížení anizotropie rozměrových změn s nárůstem hustoty dřeva - zmenšení koeficientu diferenciálního bobtnání a sesýchání. Struktura dřeva na všech úrovních submikroskpické, mikroskopické a makroskopické je základní důvodem pro anizotropní charakter rozměrových změn. Na submikroskopické úrovni je rozhodující stavba buněčné stěny a orientace fibrilární struktury v jednotlivých vrstvách. Například s rostoucím odklonem fibril v S 2 vrstvě (juvenilní a tlakové dřevo) vzrůstá podélné bobtnání a sesýchání, což se projeví v podélném borcení dřeva. U jehličnatého dřeva způsobují velké ztenčeniny buněčné stěny (25 µm) umístěné převážně na radiálních stěnách buňky odklon fibril v S 2 vrstvě až 30, což se projeví v diferenciálních změnách v radiálním a tangenciálním směru. Na mikroskopické úrovni jsou důležité tloušťky buněčná stěny v radiálním a tangenciálním směru (u tracheid je radiální buněčná stěna zpravidla tlustší) a přítomnost dřeňových paprsků. Převážná orientace fibril ve stěnách parenchymatických buněk dřeňových paprsků je v ose buňky - v radiálním směru - a toto uložení způsobuje restrikci hygroexpanze dřeva v radiálním směru (Horácek; 2001). 3.3 Mez nasycení buněčných stěn a mez hygroskopicity Hranici mezi vodou vázanou a volnou stanovujeme na základě určení meze nasycení buněčných stěn (MNBS) nebo meze hygroskopicity (MH). Definici (MNBS) lze charakterizovat jako maximální vlhkost buněčných stěn dřeva, které bylo dlouhodobě uloženo ve vodě buněčná stěna je plně nasycena vodou vázanou a lumen neobsahuje žádnou vodu volnou (Tiemann 1906). Vlhkost při MNBS se u našich dřevin pohybuje v rozmezí % (průměrně 30 %) a závisí zejména na druhu dřeva, tj. anatomické a chemické stavbě dřeva. Teplota nemá na tuto veličinu prakticky žádný vliv. Vzhledem k obtížnosti určení MNBS je vhodnější používat pro odlišení vody vázané a volné jinou charakteristiku, a to mez hygroskopicity (MH). MH je taková rovnovážná vlhkost, kterou dosáhne dřevo dlouhodobě vystavené prostředí (vzduchu), jehož relativní vlhkost je blízká nasycení (φ = 0,995 %). 21

22 Rozdíl mezi MNBS a MH tedy spočívá zejména v prostředí, kterému je dřevo vystaveno. U MNBS je to voda ve skupenství kapalném, u MH je to voda ve skupenství plynném. Při teplotě okolo C mají obě veličiny přibližně stejnou hodnotu, průměrně kolem 30 %, ale na rozdíl od MNBS je MH závislá na teplotě prostředí, ta s rostoucí teplotou klesá (Horácek; 2001). Hodnoty MH u některých našich druhů dřev jsou uvedeny v tab.5. MH (%) a více Druh dřeva Jádrové dřevo jehličnanů s vysokým obsahem pryskyřice: BO, MD, DG, VJ, Limba Jádrové dřevo listnáčů s kruhovitě a polokruhovitě pórovitou stavbou dřeva: AK, Kaštanovník, DB, JS, OR, TR Jádrové dřevo jehličnanů s nižším obsahem pryskyřice: BO, MD, DG Jehličnatá dřeva s bělí a vyzrálým dřevem: SM, JD Bělové dřevo jehličnatých dřevin s výrazným jádrem: VJ, BO, MD Listnatá dřeva s roztroušeně pórovitou stavbou: LP, VR, TP, OL, BR, BK, HB Bělové dřevo listnáčů s kruhovitě a polokruhovitě pórovitou stavbou: AK, Kaštanovník, DB, JS, OR, TR Tab. 5: Mez hygroskopicity u různých druhů dřev (Trendelenburg a Mayer Wegelina 1955, upraveno Matovičem 1993) Závislost MNBS na hustotě dřeva je obvykle vyjadřováno vztahem: 1 MNBS = ρk 1 ρ ρ 0 kap [%] Kde: MNBS...mez nasycení buněčných sten (%) ρ k...konvekční hustota dřeva (kg m -3 ) ρ 0...hustota absolutně suchého dřeva (kg m -3 ) ρ kap...hustota kapaliny (kg m -3 ) 22

23 3.4 Nasáklivost Nasáklivost dřeva je schopnost dřeva v důsledku pórovité stavby nasávat vodu ve formě kapaliny. Dřevo je považováno za maximálně nasáklé vodou (má maximální vlhkost), je-li plně nasyceno vodou vázanou a obsahuje-li maximální množství vody volné. Množství volné vody je závislé především na objemu pórů ve dřevě, který je nepřímo úměrný hustotě dřeva (Gandelová et al.; 2008). Množství vody vázané je přibližně 30 %, množství vody volné závisí na objemu lumenů všech dřevních buněk (Křupalová 1999). Nasáklivost lze vypočítat v závislosti na hustotě dřeva ze vztahu: W ρ ρ s 0 max = MH ρs ρ0 [%] Kde: W max...maximální vlhkost dřeva MH...mez nasycení buněčných stěn (%) ρ 0...hustota absolutně suchého dřeva (kg m -3 ) ρ s...hustota dřevní substance (kg m -3 ) ρ k...konvenční hustota dřeva (kg m -3 ) K maximálnímu nasycení dřeva vodou dojde za poměrně dlouhou dobu (týdny). Rychlost nasáklivosti je ovlivněna několika faktory, především druhem dřeviny (anatomie, hustota, pórovitost), počáteční vlhkostí, vlastnostmi kapaliny (velikost molekul, permitivita), teplotou, tvarem a rozměry materiálu. Nasáklivost jádra je menší než běle. Se zvyšující se hustotou dřeva se nasáklivost zmenšuje. Zvýšením teploty se nasáklivost dřeva urychluje (Horácek; 2001). Druh dřeva W max (%) Druh dřeva W max (%) MD 123 HB 96 BO 178 DB 119 SM 203 BR 131 JD 250 OS 180 Limba 208 TP 198 Tab. 6: Maximální vlhkost některých dřevin (Ugolev; 1975) 23

24 3.5 Teorie sorpce Dřevo je hygroskopický materiál, který má schopnost měnit svoji vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí. Teorie sorpce se týká spíš meze hygroskopicity (MH) než meze nasycení buněčných stěn (MNBS). Z toho vyplývá že dřevo přijímá vzdušnou vlhkost. Vystavíme-li absolutně suché dřevo působení prostředí o konstantní teplotě a vzduchu nasycenému vodními parami, začne dřevo poutat vodu procesem zvaným adsorpce, obrácený děj se nazývá desorpcí (Horácek; 2001). Během adsorpce dochází postupně ke třem dějům označovaným jako: monomolekulární sorpce (absorpce) polymolekulární sorpce (adsorpce) kapilární kondenzace Obr. 6: Voda vázaná ve dřevě A) Monomolekulární vrstva vázaná volnými hydroxylovými skupinami celulózových řetězců B) Postupná tvorba monomolekulární vrstvy narušováním vazeb vodíkovými můstky mezi sousedními řetězci celulózy C) Polymolekulární vrstva D) Znázornění monomolekulární (tmavé) a polymolekulární (světlé) vrstvy vody vázané 24

25 3.5.1 Monomolekulární sorpce Předpokládá se, že molekuly vody jsou poutány přitažlivými silami sorpčních míst neorientovaných amorfních oblastí celulózových řetězců, případně celé holocelulózy. Vazbami přes vodíkové můstky jsou molekuly ukládány do mezimicelárních a mezifibrilárních prostor, které jsou dostatečně prostorné pro umístění molekul vody (průměr molekuly vody 0,3 nm). Vzhledem k submikroskopické stavbě buněčné stěny dochází k monomolekulární sorpci nejprve v amorfní části micel, kde se nachází nejvíce volných hydroxylových skupin. Teorie monomolekulární sorpce vychází z představy velkého vnitřního povrchu dřeva, na kterém se nachází izolovaná sorpční místa tvořená volnými OH-skupinami. Touto teorií je vysvětlována sorpce při RVD 0 7 %, což odpovídá φ 20 %. Nízká rovnovážná vlhkost dřeva (RVD) ještě nezpůsobuje významnější bobtnání buněčné stěny, proto monomolekulární sorpce není doprovázena změnami a dislokacemi v krystalické oblasti celulózy(horáček; 2001) Polymolekulární sorpce Na monomolekulárním sorpci navazuje polymolekulární sorpce. Nad vrstvičkou molekul vody poutaných přes vodíkové můstky sorpčních míst amorfní části celulózy se adsorbují další molekuly, které vytvářejí polymolekulární vrstvu. Tato vrstva je tvořena až pěti řadami molekul vody, které jsou na povrchu monomolekulární vrstvy drženy převážně Van der Waalsovými mezimolekulárními silami. S rostoucí vzdáleností molekul vody od povrchu sorbentu (holocelulózy) klesá vliv vazeb vodíkovými můstky a fyzikální vlastnosti adsorbované vody se blíží vlastnostem vody kapalné. S rostoucí tloušťkou polymolekulární sorpce je spojováno značné bobtnání buněčné stěny, jehož důsledkem je také rozevření původně nedostupných krystalických oblastí celulózy a vytváření mezokapilár. Touto teorií je vysvětlována sorpce při RVD 7 15 %, což odpovídá φ od 20 do 70 % (Horáček; 2001). 25

26 3.5.3 Kapilární kondenzace Při φ > 70 % dochází v mikro- a mezokapilárách ke kapilární kondenzaci, která závisí na poloměru kapilár. Od určitého poloměru kapilár dochází při určité relativní vlhkosti vzduchu ke kondenzaci vodní páry v kapiláře, která následně smáčí vnitřní povrch dřeva, jako u kapalina se stejnými fyzikálními vlastnostmi. S rostoucí vlhkostí je tato voda odváděna do intermicelárních a interfibrilárních prostor buněčné stěny. Maximální vlhkost v buněčné stěně závisí na maximálním roztažení fibrilární struktury. Roztažení je omezeno jednak mechanickými vlastnostmi buněčné stěny (pružnost), a vrstevnatostí buněčné stěny s různým průběhem fibrilární struktury v sekundárních vrstvách buněčné stěny. Teorie kapilární kondenzace se uplatňuje při RVD od % do MH (Horáček; 2001). 3.6 Bobtnání dřeva v různých kapalinách Dřevo může ve větší či menší míře bobtnat i v jiných kapalinách než je voda. Stupeň vnikání tekutin nebo roztoků do submikroskopických kapilár buněčných stěn se liší. Závislost je dána rozměrem molekul, permitivitou (dielektrická konstanta). Některé kapaliny s ohledem na velikost jejich molekul nepronikají do submikroskopické struktury dřeva, a proto nezpůsobují téměř žádné bobtnání. Bobtnání dřeva v různých kapalinách je tím větší, čím větší je jejich permitivita. Voda má vysokou primitivitu, což způsobuje větší bobtnání dřeva než v kapalinách s nižší permitivitou (relativní permitivita je materiálová konstanta, jedná se o bezrozměrnou veličinu),jako jsou například etanol, aceton, benzín a jiné (Požgaj et al.; 1997). Kapalina Permitivita ε r Voda 80,3 Aceton 21,5 Benzaldehyd 17,6 Toluen 2,4 Cyklohexan 2,023 Tab. 7: Dielektrická konstanta vybraných kapalin ( 26

27 Bobtnání dřeva taktéž závisí i na velikosti molekul kapaliny, čím větší molekuly kapaliny jsou, tím je bobtnání dřeva menší (Lexa et al.; 1952). Kromě velikosti molekul a permitivity má na bobtnání vliv i polarita kapalin. Polární alkoholová skupina n-amylalkoholu způsobuje menší bobtnání než alkoholová skupina s krátkými, malými, vláknitými molekulami (např. metyl). Vyšší alkoholy způsobují jen nepatrné bobtnání. Kromě těchto faktorů ovlivňuje bobtnání například bazicita, molární hmotnost, povrchové napětí a další. S bobtnáním dřeva v různých kapalinách se můžeme setkat v širokém spektru komerčních a experimentálních procesů jako jsou například: rozvlákňování, ochrana dřeva, povrchová úprava, extrakce složek dřeva, rozměrová stabilizace a chemická modifikace. Budoucí použití dřeva pro upravené produkty bude v jeho vývoji nutně zahrnovat nějaký typ chemické modifikace dřeva a podrobnější informace o účincích organických kapalin na dřevo (Mantanis et al.; 1994). Při srovnání maximálního tangenciálního bobtnání různých dřevin se podle Mantanise zdá, že většina organických tekutin nabobtnává různé dřeviny v téměř shodném rozsahu, nicméně jisté odchylky se mezi dřevinami vyskytují např. u butylaldehydu. Nebyl zjištěn žádný vztah mezi některými z typických vlastností rozpouštědel, jako jsou rozpustnost, permitivita, povrchové napětí a maximálním bobtnáním dřeva. Nicméně byla zjištěna závislost mezi maximálním tangenciálním bobtnáním a bazicitou rozpouštědla (Mantanis et al.; 1994),(Liška,/2008 ). Obr. 7: Maximální tangenciální bobtnání smrku (sitka) v 18-ti kapalinách ve vztahu k jejich bazicitě (Mantanis et al.; 1994). 27

28 3.6.1 Výzkum v oblasti bobtnání dřeva v organických kapalinách Mantanis (1994) zkoumal několik severoamerických dřevin ve čtyřiceti organických kapalinách. Z jeho výzkumu vyplývá, že existuje mnoho závislostí mezi maximálním bobtnáním dřeva v organických rozpouštědlech a vlastnostmi rozpouštědel různých chemických tříd. Byla zjištěna nepřímá závislost bobtnáním dřeva v organických kapalinách na molární hmotnosti rozpouštědla stejně jako na molárním objemu rozpouštědla, to znamená, že čím je vetší rozměr molekuly rozpouštědla, tím pomalejší je bobtnání. Maximální tangenciální bobtnání je pro všechny dřeviny lineárně závislé na bazicitě rozpouštědla. U dalších vlastností rozpouštědel jako dielektrická konstanta, povrchové napětí a moment dipólu byly zjištěny velmi slabé závislosti na maximálním tangenciálním bobtnání dřeva v organických tekutinách (Mantanis et al.; 1994). Výsledky výzkumu Stamma a kolektivu ukázaly, že při bobtnání dřeva je důležité brát v úvahu velikost molekul. Se zvětšující se velikostí molekul se snižuje rychlost bobtnání, ale zmenšuje se i celkové bobtnání, právě kvůli obtížnosti větších molekul hladce se rozptýlit do struktury kapilár dřeva a celulózy (Stamm 1935, 1964; Stamm a Tarkow 1950) Nayer (1948) provedl nejdokonalejší výzkum na bobtnání dřeva v organických kapalinách. Vyhodnotil různé možné předvídatelné faktory pro bobtnání dřeva. Pokusil se o vyjádření závislosti mezi objemovým bobtnáním tenkých plátku dřeva ve velkém množství suchých organických kapalin, na permitivitě, momentu dipólu a povrchovém napětí kapalin. Jisté malé závislosti byly získány s výjimkou benzenových derivátu. V jiné publikaci, Nayer a Hossfeld (1949) uvádějí závěr, že existuje závislost mezi mírou bobtnání a rozsahem vodíkových vazeb mezi kapalinou a složkami dřeva. Kumar (1957, 1958) našel výraznou závislost mezi mírou objemového bobtnáním dřeva a množstvím přijaté kapaliny při maximálním nasycení. Taktéž poznamenal, že s rostoucí velikostí molekul kapalin v homologické sérii kyselin se snížilo nabobtnání a bobtnání bylo také nepřímo úměrné k molekulové hmotnosti kapalin. 28

29 3.6.2 Vliv teploty na maximální bobtnání dřeva Horiike a Kato (1959) se domnívají, že existuje závislost mezi mírou bobtnání a teplotou máčení dřeva. Tato reakce dřeva při bobtnání byla vysvětlena hypotézou, že míra bobtnání má přímý vztah k síle vodíkových vazeb mezi složkami dřeva a kapaliny. Kajita a kolektiv (1979) potvrdil, že existuje vztah mezi celkovým teplem máčení (W) a fyzikálně chemickými parametry z 29 různých organických rozpouštědel. Obzvlášť jasný vztah byl zjištěn mezi hodnotou W a schopnostmi vodíkových vazeb rozpouštědel. Horiike a Kato (1959) demonstrovali určitý vztah mezi bobtnáním dřeva a W hodnotami. Rowell (1984), při výzkumu reakce epoxidu se dřevem, pozoroval dramatický efekt působeni teploty na bobtnání dřeva pro sérii organických rozpouštědel. U některých rozpouštědel, která nezpůsobovala bobtnání dřeva při pokojové teplotě, bylo zjištěno výrazné bobtnání dřeva při zvýšených teplotách. West a Banks (1988, 1989) ve své práci měřili poměry bobtnání dřeva v závislosti na teplotě v omezeném množství organických kapalin. Předpokládali, že bobtnání je bimolekulární reakce a vyžaduje pouze srážky molekul rozpouštědla se dřevem. Při svém měření shledali, že míra bobtnání v organických tekutinách prokázala silnou závislost na teplotě, která je přesně podřízena klasické Arheniove rovnici (1889) (West 1988; West a Banks 1989). Arheniova rovnice k = Ae E a / RT Kde: k.rychlostní konstanta A.frekvenční faktor (frekvence kolizí a orientace molekul) R.univerzální plynová konstanta (8,314 J mol -1 K -1 ) T.. plynová konstanta E a...aktivační energie (J mol -1 ) ( 29

30 3.7 Charakteristika kapalin Voda Voda je chemická sloučenina vodíku a kyslíku. Spolu se vzduchem resp. zemskou atmosférou tvoří základní podmínky pro existenci života na Zemi. Za normální teploty a tlaku je to bezbarvá, čirá kapalina bez zápachu, v silnější vrstvě namodralá. V přírodě se vyskytuje ve třech skupenstvích: v pevném led, v kapalném voda a v plynném vodní pára. Rozšířením vody na Zemi a jejím pohybem se zabývá věda zvaná hydrologie. Voda vzniká prudkým až explozivním slučováním vodíku s kyslíkem (hořením bezbarvým plamenem) podle rovnice: 2H 2 + O 2 2H 2 O, za vývinu velkého množství tepla (exotermní reakce). ). Kromě toho vzniká jako vedlejší produkt vedle solí při neutralizaci kyselin zásadami, např. HCl + NaOH H 2 O + NaCl. Obr. 8: Model molekuly vody ( Molární hmotnost: 18, g/mol Teplota tání: 0 C Teplota varu: 100 C Hustota 0, g cm -3 (4 C) Voda v přírodě: Výskyt vody na naší planetě je mnohem vyšší než na ostatních planetách sluneční soustavy. Je základní podmínkou života. 30

31 Je nejdůležitější surovinou všech průmyslových odvětví, používá se ke chlazení, ohřevu, oplachu, k výrobě elektrické energie ve formě páry a v potravinářství k výrobě nápojů atd. Je základní podmínkou rostlinné a živočišné výroby Je zdrojem obživy v přímořských státech Pitná voda se získává úpravou surové vody. Surová voda se získává z podzemních nebo povrchových zdrojů. Z některých zdrojů zejména podpovrchových je možné získat pitnou vodu bez úpravy. Destilovaná voda je čirá, bezbarvá, v silné vrstvě namodralá kapalina bez chuti a zápachu. Za normálního tlaku 101 kpa má teplotu tání 0 C a teplotu varu 100 C. Největší hustotu 1g/cm 3 má voda při 4 C. Nejlehčí metodou získání skoro čisté vody ze směsi je destilace. Jedna z nejběžnějších současných metod je reverzní osmóza, která poskytuje vodu víc čistou než destilace. Destilovaná voda se používá především v laboratořích, ale i například do chladičů a akumulátorů v automobilech nebo do napařovacích žehliček. Má ph neutrální 7. Dá se vytvořit destilací běžné vody za normálního tlaku. Ačkoliv se jedná o chemicky čistou látku, destilovaná voda není vhodná dlouhodobě k pití. Destilovaná voda je lidskému zdraví nebezpečná tím, že neobsahuje (na rozdíl od běžné pitné vody) žádné minerály. To může významně narušit metabolismus, rozvrácením rovnováhy iontů v organismu. ( Aceton Aceton je triviální pojmenování pro propan-2-on nebo též dimethylketon. Charakteristickou skupinou je karbonyl. Aceton je bezbarvá kapalina specifického zápachu, hořlavá, s vodou a většinou organických rozpouštědel neomezeně mísitelná. Směs par s kyslíkem je výbušná. Aceton je významným rozpouštědlem organických látek a surovinou chemického průmyslu. Dobře rozpouští například nitrocelulózové laky, tuky, pryskyřice. 31

32 Je surovinou při výrobě například tzv. organického skla (polymethylmetakrylátu)- pleksisklo, polyuretanu, epoxy pryskyřice, barviv a léčiv. Aceton je taky široce používán pro bezpečné skladování a přepravu acetylénu. Dříve se vyráběl suchou destilací dřeva, fermentačně při tzv. aceton-butanolovém kvašení. Dnes se vyrábí se oxidací propan-2-olu. V malém množství se fyziologicky nachází v krvi a moči; stoupá například při onemocnění diabetes mellitus. ( ( Obr. 9: Prostorový a strukturní model molekuly ( Systematický název: dimethylketon, propan-2-on Sumární vzorec: C 3 H 6 O 1 Molární hmotnost: 58,8 g mol -3 Teplota varu: 56 ºC Teplota tání: -94 ºC Skupenství: kapalina Hustota: 0,7899 g cm -3 ( Toluen Toluen chemicky zvaný methylbenzen je čirá, ve vodě nerozpustná těkavá kapalina. Může se rozpouštět v tucích a dobře se rozpouští v organických rozpouštědlech. Přirozeně se vyskytuje v ropě Její páry tvoří se vzduchem třaskavou směs. Je zdraví škodlivý. Patří mezi aromatické uhlovodíky. 32

33 Sumární vzorec: C 7 H 8 Molární hmotnost: 92,14 g mol -3 Teplota varu: 106 ºC Teplota tání: -93 ºC Skupenství: kapalina Hustota 0,8669 g cm -3 Obr. 10: Prostorový a strukturní model molekuly( Toluen se používá jako rozpouštědlo v průmyslu (náhrada za toxičtější benzen).slouží jako rozpouštědlo v barvách, nátěrech, syntetických vůních, lepidlech, Své místo má i při výrobě sloučenin, typickým příkladem sloučeniny, která se připravuje z toluenu, je trhavina TNT, chemicky trinitrotoluen. Toluen se také používá jako výchozí surovina při výrobě polymeru, ze kterých se potom vyrábí nylon, plastové lahve a polyuretany. Toluen se vyskytuje v malém množství v petroleji, z kterého se průmyslově vyrábí. Laboratorně se může připravit reakcí benzenu s chlormethanem, jako katalyzátor se při této reakci používá chlorid hlinitý (AlCl 3 ): CH 3 Cl + C 6 H 6 C 6 H 5 CH 3 + HCl Většina emisí toluenu je uvolňována do ovzduší, pak také do vody a půdy. Neakumuluje se v potravních řetězcích. Jako tekavá organická látka se spoluúčastní vzniku fotochemického smogu. Inhalace je primárním vstupem toluenu do těla, vstřebává se 50 % vdechnutého toluenu. Může být absorbován také trávicím traktem nebo kontaktem s kůží. Toluen ovlivňuje hlavně centrální nervovou soustavu. Dráždí dýchací orgány, způsobuje srdeční arytmii a poškozuje játra a ledviny. Dráždí také kůži a oči. Toluen může přecházet placentou do plodu a muže se také nacházet v materském mléce. Pokud se najednou uvolní velké množství toluenu v uzavřeném prostoru, může reagovat s kyslíkem za vzniku toxického benzaldehydu. Je velmi hořlavý a může vytvářet při pokojové teplotě výbušné směsi s kyslíkem. V České republice platí pro toluen následující limity v ovzduší pracovišť: PEL 200 mg m-3, NPK P 500 mg m-3( ( 33

34 3.7.4 Cyklohexan Cyklohexan C 6 H 12, nejdůležitější cykloalkan (nasycené uhlovodíky obecného vzorce CnH 2 n). Hořlavá bezbarvá kapalina, získávaná z ropy. teplota tání 6,5 C, teplota varu 81 C, nerozpustná ve vodě, mísitelná s běžnými organickými rozpouštědly. Uhlíkové atomy v molekule cyklohexanu neleží v rovině, ale vytvářejí různá prostorová uspořádání (konformace), z nichž nejvýhodnější je tzv. židličková,. Cyklohexan se vyrábí hydrogenací benzenu. Používá se jako rozpouštědlo a základní surovina například pro výrobu polyamidů. Používají se například k výrobě laků, vláken a konstrukčních materiálů. (silon, perlon, kapron). ( Obr. 11: strukturní model molekuly ( Benzaldehyd Benzaldehyd (C 6 H 5 CHO), též benzenkarbaldehyd, fenylmethanal), patří mezi aldehydy. Je chemická sloučenina skládající se z aromatického benzenového jádra a aldehydické skupiny. Jedná se o nejjednodušší aromatický aldehyd s velkým uplatněním v průmyslu. Za pokojové teploty to je bezbarvá, ve vodě málo rozpustná kapalina zapáchající po hořkých mandlích. Obr. 12: Prostorový a strukturní model molekuly ( Benzaldehyd) Funkční vzorec: C 6 H 5 CHO Sumární vzorec: C 7 H 6 O Molární hmotnost: 106,13 g mol -3 Teplota varu: 178 ºC Teplota tání: -26 ºC Skupenství: kapalina Hustota: 1,0415 g cm -3 34

35 Nejčastěji se připravuje chlorací či oxidací toluenu. Méně významná je pak příprava částečnou oxidací fenolu, alkalickým působením na benzoylchlorid nebo reakcí benzenu s oxidem. Je velmi nebezpečný a to díky benzenovému jádru, které působí negativně na genetický kód. Benzaldehyd se používá jako ochucovadlo s příchutí mandlí, průmyslové rozpouštědlo a velké upotřebení má v organických syntézách, benzaldehyd je např. výchozí složkou pro syntézu kyseliny mandlové. Je složkou všech destilátů získaných kvašením ovoce( Benzaldehyd) 4 Materiál a metodika Měření vzorků a postupy použité při jednotlivých zkouškách vycházely z následujících norem: ČSN Dřevo zjišťování vlhkost při fyzikálních a mechanických zkouškách ČSN Metoda zjišťování nasáklivosti a navlhavosti ČSN Dřevo zjišťování hustoty při fyzikálních a mechanických zkouškách ČSN Skůšky vlastností rostlého dreva. Metoda zišťovania napučavosti ČSN Metoda zjišťování nasáklivosti 4.1 Stanovení maximálního bobtnání a nasáklivosti Materiál Pro jednotlivé měření byly použity již vyrobené vzorky jasanové dřeva (Fraxinus excelsior L.). Zkušební vzorky byly bez známek mechanického poškození a napadení biotickými škůdci. 35

36 Zkušební tělíska neobsahovala žádnou dřeň, trhliny, suky, nebo jiné viditelné vady. Všechny zkušební vzorky byly o rozměrech mm ± 0,5 mm (ve směrech L R T). Vzorky obsahovaly i běl. Jednotlivé plochy všech tělísek byly řádně opracovány a byly vzájemně kolmé. Pro zkoušky bylo vybráno celkem 300 vzorků pro všechny kapaliny (pro každou kapalinu soubor 60 ks). Vzorky pocházely z polesí Valtice a Tvrdonice, byly uloženy na ústavu nauky o dřevě LDF MZLU v Brně Zařízení a pomůcky Konvekční sušárna sušení při teplotě 103 ± 2 C Digitální váha Scaltec SBC 41 s přesností 0,01 g Digitální posuvné měřidlo s přesností 0,01 mm Exsikátory 4 ks Vanička 1 ks Pinzeta Petriho misky Kádinky Filtrační papír Notebook Ochranné prostředky (ochranné brýle, plastový štít, plášť, gumové rukavice) Metodika Zkušební tělíska byla nejprve sušena v sušárně při teplotě 103 C do absolutně suchého stavu (přibližně 2 dny). Po vysušení byla tělíska vytahována ze sušárny a v laboratorních podmínkách (T = 22 C, w = 35 %, p = 1015HPa) bylo provedeno měření hmotnosti absolutně suchých těles na digitální váze s přesností na 0,01 g a měření rozměrů digitálním 36

37 posuvným měřítkem s přesností na 0,01 mm v základních anatomických směrech (ve směrech L, R, T). Neprodleně po měření byly vzorky uloženy do exsikátoru a zality vybranými kapalinami vždy po 60-ti vzorcích pro každou kapalinu (voda, aceton, toluen, benzaldehyd a cyklohexan). V každé kapalině bylo vybráno 5 vzorků pro kontrolní vážení a měření rozměrů ve 3 4 denních intervalech až do dosažení MNBS. Při každém měření se musela tělíska důkladně otírat filtračním papírem, aby nebyla hmotnost ovlivněna kapalinou, která ulpívala na povrchu tělísek (především benzaldehyd a voda). Při měření vzorků, zejména v acetonu a toluenu bylo nutné postupovat velmi rychle, jelikož se jedná a těkavé kapaliny docházelo tak k rychlému odpařování kapaliny jak ze vzorků, tak z kapaliny v exsikátorech. U cyklohexanu byl tento jev poměrně slabší a neprojevoval se výrazněji na vážených vzorcích, naopak u benzaldehydu a vody k tomuto jevu nedocházelo. U všech kapalin kromě vody bylo nutné postupovat při měřeních a manipulaci velmi obezřetně a zároveň dodržovat bezpečnostní předpisy, zejména používat pracovní ochranné pomůcky a místnost musela být větrána. Jelikož se jedná o zdraví škodlivé látky, které způsobují poleptání pokožky, poškození dýchací a centrální nervové soustavy, navíc v případě benzaldehydu i neplodnost. Obr. 13: Uložení vzorků v exsikátorech 37

38 U každého tělíska byl z naměřených hodnot vypočítán nejprve objem a následně i hustota (z absolutně suchých vzorků i ze vzorků máčených v kapalinách) podle následujících vzorců: V = a b c 3 [ m ] Kde: V...objem zkušebního tělíska (m 3 ) a...tloušťka zkušebního tělíska (m) b...šířka zkušebního tělíska (m) c...délka zkušebního tělíska (m) 3 [ kg ] m ρ = m V Kde: ρ...hustota zkušebního tělíska (kg m -3 ) m...hmotnost zkušebního tělíska (kg) V objem zkušebního tělíska (m 3 ) Pro vypočet nasáklivosti a maximálního bobtnání v jednotlivých anatomických směrech (L, R, T) bylo použito následujících vztahů: W mw m ρ kap max = 100 m0 0 [%] Kde: Wmax...maximální vlhkost dřeva (%) m w...hmotnost absolutně vlhkého dřeva (g) m 0...hmotnost absolutně suchého dřeva (g) ρ kap...hustota kapaliny (g cm -3 ) α i i max imax = i0 [%] Kde: α i max...maximální bobtnání (V; L, R, T) (%) i max...hodnoty maximálně nabobtnalého tělíska (V; L, R, T) (m 3 ; m) i 0...hodnoty absolutně suchého tělíska (V; L, R, T) (m 3 ; m) 38

39 Ze zjištěného maximálního bobtnání (α i max ) v tangenciálním a radiálním směru bylo vypočteno diferenciální bobtnání dle vztahu: αt α dif = α R Kde: α dif...diferenciální bobtnání (bezrozměrná veličina) α T...maximální bobtnání ve směru tangenciálním (%) α R...maximální bobtnání ve směru radiálním (%) Výpočet MNBS a koeficientu bobtnání Pro výpočet MNBS a koeficientu bobtnání bylo nejprve nutno vypočíst konvenční hustotu dřeva ρ k (basic density) dle vztahu: [ kg ] m ρ k = m V 0 3 max Kde: ρ k...konvenční hustota dřeva (kg m -3 ) m 0...hmotnost absolutně suchého dřeva (kg) V max...maximální objem dřeva (m 3 ) Konvenční hustota dřeva se vypočte u vzorků, které dosáhly hranice MNBS (za hranicí MNBS se již rozměry dřeva nemění a objem vzorku je tak považován za konstantní). mez nasycení buněčných sten (MNBS) 1 MNBS = ρk 1 ρ ρ 0 kap [%] Kde: MNBS...mez nasycení buněčných sten (%) ρ k...konvekční hustota dřeva (kg m -3 ) ρ 0...hustota absolutně suchého dřeva (kg m -3 ) ρ kap...hustota kapaliny (kg m -3 ) 39