Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. Lesnická a dřevařská fakulta. Ústav nauky o dřevě

Transkript

1 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nauky o dřevě BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Bobtnání dřeva dubu ve vodě, benzinu a kyselině mravenčí 2008 Pavel Kindl

2 4

3 Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Bobtnání dřeva dubu ve vodě, benzinu a kyselině mravenčí zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny, ze kterých jsem čerpal. 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 závěrečných prací. V Brně, dne.podpis.. 5

4 Poděkování V první řadě chci poděkovat vedoucímu mojí bakalářské práce Ing. Hanuši Vavrčíkovi, Ph.D, a také Ing. Vladimíru Grycovi, Ph.D, za konzultace, ochotu a pomoc při řešení problémů zejména v laboratořích. Dále bych chtěl poděkovat Ústavu nauky o dřevě za to, že mi poskytl potřebné vybavení a materiály pro realizaci bakalářské práce. Na závěr bych chtěl poděkovat svým rodičům za to, že mi umožnili studovat a během studia mě plně podporovali. Bez jejich podpory by moje studium v dnešní době bylo dozajista nemožné. 6

5 Abstrakt Autor: Název práce: Pavel Kindl Bobtnání dřeva dubu ve vodě, benzinu a kyselině mravenčí. Cílem této bakalářské práce je zjistit bobtnání a rychlost bobtnání dřeva dubu (Quercus robur L.) ve stanovených kapalinách (voda, benzin, kyselina mravenčí), pakliže dřevo v daných kapalinách bobtná. Experimentálně naměřené hodnoty byly získány měřením podle následujících norem: ČSN , ČSN , ČSN , ČSN , ČSN V teoretické části jsou popsány termíny používané v práci a diskutovány jednotlivé vlivy na bobtnání a rychlost bobtnání dřeva dubu jako například viskozita, nebo molární hmotnost kapalin.v praktické části jsou uvedeny naměřené a statisticky vyhodnocené výsledky, které jsou porovnány mezi sebou navzájem a s daty uváděnými v literatuře. Klíčová slova: Bobtnání dřeva, rychlost bobtnání, nasáklivost, dub, voda, benzin, kyselina mravenčí 7

6 Abstrakt Author: Pavel Kindl The title of work: Swelling of oak wood in water, benzine and formid acid The aim of this bachelor work is to find out swelling and speed of swelling of oak wood (Quercus robur L.) in stated liquids (water, benzine, formid acid) if it swells. Experimentaly measured data were obtained acording to folowing standards ČSN , ČSN , ČSN , ČSN , ČSN In theoretic part of work are described terms used in this work and discused influences on swelling and speed of swelling of the oak wood. In practical part are mentioned results of experiment which are compared betwen each other and with data mentioned in literature. Keywords: Swelling of wood, speed of wood swelling, absorptivity, oak, water, benzine, formic acid 8

7 Obsah 1. Úvod...str Cíl práce....str Literární přehled.....str Dub letní (Quercus robur L.)....str Popis dřeviny..str Makroskopické znaky dřeva dubu..... str Mikroskopické znaky dřeva dubu......str Chemické složení dřeva dubu....str Fyzikální vlastnosti dřeva dubu.....str Využití dřeva dubu. str Bobtnání dřeva..str Faktory ovlivňující bobtnání.....str Bobtnání dřeva v různých kapalinách....str Nasáklivost....str Mez nasycení buněčných stěn amez hygroskopicity....str Teorie sorpce.....str Monomolekulární sorpce...str Polymolekulární sorpce..str Kapilární kondenzace.....str Charakteristika kapalin.....str Voda... str Kyselina mravenčí.....str Benzin....str Materiál a metodika....str Stanovení maximálního bobtnání a nasáklivosti.. str Materiál......str Metodika a stanovení výsledků.. str Zařízení a pomůcky....str Stanovení rychlosti bobtnání dubu v kapalinách..str Materiál.. str.34 9

8 4.2.2 Metodika a stanovení výsledků..str Zařízení a pomůcky.... str Výsledky. str Bobtnání dubu ve sledovaných kapalinách...str Hustota absolutně suchého dřeva dubu..str Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu ve vodě... str Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu v benzinu str Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu v kyselině mravenčí... str Rychlost bobtnání dubu ve sledovaných kapalinách str Rychlost bobtnání dubu ve vodě....str Rychlost bobtnání dubu v benzinu.....str Rychlost bobtnání dubu v kyselině mravenčí....str Diskuze... str Hustota dubu letního (Quercus robur L.).....str Bobtnání a nasáklivost dubu ve vodě... str Bobtnání a nasáklivost dubu v benzinu....str Bobtnání a nasáklivost dubu v kyselině mravenčí....str Porovnání bobtnání a nasáklivosti v kapalinách...str Rychlost bobtnání dubu v kapalinách...str Závěr...str Summary. str Použitá literatura a prameny na internetu...str.57 10

9 1. Úvod Dřevo je přírodní, obnovitelná, poměrně snadno opracovatelná a dostupná surovina, používaná člověkem již po tisíce let k různým účelům. Člověk používá dřevo již od prehistorických dob například k výrobě nástrojů a nábytku. Dále je dřevo pro člověka stavebním konstrukčním materiálem domů, lodí, surovinou pro výrobu papíru, může však také sloužit jako palivo. Díky širokým možnostem použití je v poslední době dřevo stále více využívaným materiálem. Bobtnání je fyzikální děj, při kterém je dřevem přijímána kapalina s následnými změnami rozměrů ve všech anatomických směrech. Při bobtnání dřeva dochází, kromě změny rozměrů, také ke změně mechanických vlastností a zvyšování hmotnosti. Bobtnání je tedy u dřeva velmi častým jevem a proto je nutno přesně vědět, jak se dřevo při styku s různými kapalinami chová. Tato práce sleduje a porovnává bobtnání dubového dřeva (Quercus robur L.) ve třech kapalinách (voda, benzin a kyselina mravenčí). Pro porovnání byla jako referenční kapalina zvolena voda. Kromě bobtnání je v práci sledována i rychlost bobtnání a čas, po kterém je maximální bobtnání dosaženo. Zjištěné výsledky jsou v závěru práce porovnány jak mezi sebou, tak s hodnotami uváděnými v literatuře. Práce může posloužit jako podklad pro další experimenty nebo úvahy, jak se bude dřevo chovat ve styku s kapalinami podobných vlastností. V praxi může posloužit při povrchové úpravě dřeva, ochraně dřeva, modifikaci dřeva a v poslední řadě i prostým zájemcům o danou problematiku bobtnání dřeva jako takovou. 11

10 2. Cíl práce Cílem této práce je zjistit, jak se dřevo dubu letního (Quercus robur L.) chová z pohledu bobtnání a rychlosti bobtnání ve vybraných kapalinách. Pro toto měření byl zvolen benzin a kyselina mravenčí. Pro porovnání výsledných hodnot byla jako referenční kapalina zvolena voda. Hlavními úkoly jsou dosažení maximálního bobtnání a zjištění rychlosti bobtnání v těchto kapalinách. Zjištěné hodnoty budou porovnány mezi sebou a s údaji dostupnými v literatuře. Dílčím cílem je ověřit vhodnost metodiky založené na vytlačování kapaliny (water displacement method) podle Olsena pro zjišťování rychlosti bobtnání dřeva. 12

11 3. Literární přehled 3.1 Dub letní (Quercus robur L.) Popis dřeviny Dub letní (Quercus robur L.) je opadavý strom do 40m výšky s válcovitým kmenem a rozložitou korunou se silnými, zprohýbanými větvemi. Kůra v mládí lesklá, zelenošedá, později černošedá, kostkovitě rozpukaná borka (Kolibáčová a kol. 2002).. Dub letní (Quercus robur L.) patří do bohatého rodu Quercus s nejméně 200 druhy, rozšířenými zejména v teplejších oblastech severní polokoule. V Americe sahá areál rodu na jih až do Kolumbie, z Evropy do severní Afriky, v Asii jde k jihu až na Malajský poloostrov (Úřadníček, Chmelař 1998) Makroskopické znaky dřeva dubu Dubové dřevo Obr.1 má vylišeno jádro a běl. Běl je úzká, nažloutlá až světle hnědá, jádro světle až tmavohnědé. Dřevo s typickou kruhovitě pórovitou stavbou se zřetelnou hranicí mezi jarním a letním dřevem. Makropóry tvoří v zóně jarního dřeva zřetelné póry, na podélných řezech zřetelné rýhy. Mikropóry tvoří na příčném řezu v zóně letního dřeva světlé radiální pásky. Dřeňové paprsky zřetelné na všech řezech, na příčném řezu tvoří viditelné pásy kolmé k letokruhům, na radiálním křivolaká lesklá zrcadla a na tangenciálním řezu až několik cm vysoké tmavší pásy. Dřevo dubu je středně těžké a středně tvrdé. Hustota dřeva dubu letního se uvádí ρ 0 = 680 kg.m -3. tvrdost podle Janky je 67,5 MPa. Pro velký obsah tříslovin patří k našim nejtrvanlivějším dřevinám. Dřevo je dobře opracovatelné, hůře se suší a obtížněji se impregnuje (Šlezingerová, Gandelová 1999). 13

12 Obr.1: Makroskopická stavba dubu (zleva: řezy P,R,T) (Vavrčík a kol. 2002) Mikroskopické znaky dřeva dubu Dřevo dubu se řadí mezi dřeva listnatých dřevin s kruhovitě pórovitou stavbou. Jarní cévy jsou převážně jednotlivě umístěny, v jádrovém dřevě bývají ucpány thylami, perforace cév je jednoduchá. Letní cévy jsou uspořádány do charakteristických radiálních seskupení (žíhání). Dřeňové paprsky jsou jednovrstevné nebo mnohovrstevné (20 i více), homogenní. Podélný dřevní parenchym je apotracheální, v tangenciálních skupinách rozptýlen, nakupený, žebříčkovitý až síťovitý (Šlezingerová, Gandelová 1999). Vzhled jednotlivých řezů dřevem dubu na mikroskopické úrovni je na Obr.2. Obr.2: Mikroskopická stavba dubu (zleva: řezy P,R,T) (Vavrčík a kol. 2002) 14

13 3.1.4 Chemické složení dřeva dubu Po chemické stránce se dřevo skládá z organických látek celulózy, hemicelulózy a ligninu. Kromě těchto organických (spalitelných) látek jsou ve dřevě přítomny i látky anorganické minerální, z nichž po spálení vzniká popel. Celulóza je základní stavební látka buněčné stěny. Je velmi stálá a nerozpustná ve vodě, ethanolu, zředěných kyselinách a alkáliích. Je možno ji rozložit jen silnými anorganickými kyselinami a hydroxidy až na glukózu. Druhou hlavní složkou jsou hemicelulózy, které chemicky patří rovněž k polysacharidům. Dělí se na pentosany a hexosany. Chemicky jsou málo stálé, jejich vlastnosti a složení nejsou složitější než u celulózy. Lignin chemicky představuje složitou aromatickou sloučeninu. Je částečně vázán na celulózu a hemicelulózy a jeho uvolňování působí při zpracování dřeva na celulózu značné potíže. Třísloviny se vyskytují ve dřevě, kůře, plodech a listech většiny stromů. Vyznačují se intenzivní trpkou příchutí a vůní. Jsou rozpustné v ethanolu a ve vodě. Na čerstvých řezech stromem se rychle okysličují a zbarvují tmavě (Wagenführ 2000). Zastoupení jednotlivých složek dubu je znázorněno v Tab.1 Zastoupení Chemické složky [%] Celulóza 24,9-34,3 Lignin 37,6-42,8 Éterické složky 0,4-0,6 Pentozany 19-25,5 Popeloviny 0,3-0,6 Třísloviny 3-13 Benzol-alkohol 4 Tab.1.: Chemické složení dřeva dubu (Wagenführ 2000) 15

14 3.1.5 Fyzikální vlastnosti dřeva dubu MNBS se u dubu pohybuje od 23 do 25 % (Trendelenburg a Mayer-Wegelin 1955 upraveno Matovičem 1993). Nasáklivost se podle Ugoleva 1975 pohybuje okolo 119 %. Další vybrané fyzikální vlastnosti dřeva dubu jsou v Tab.2 Fyzikální vlastnost Hodnota Hustota ρ Bobtnání α T 7,8-10 % Bobtnání α R 4-4,6 % Bobtnání α L 0,40 % Bobtnání α V 12,6-15,6 % Tab.2 Vybrané fyzikální vlastnosti (Wagenführ 2000) Využití dřeva dubu Dřevo dubu je díky vysokému obsahu tříslovin velmi trvanlivé a nehnije ve vodě. Velmi ceněnou vlastností dubu je jeho tvrdost. Proto nachází uplatnění v mnoha oblastech, zejména na vodní stavby, stavbě lodí, ve stavebně truhlářské výrobě, v nábytkářství, na výrobu pražců, sudů apod. (Benc 2007). Dále se díky své textuře využívá v nábytkářství a na výrobu parket. 3.2 Bobtnání dřeva Bobtnání je opačný proces než sesychání zvětšují se rozměry dřeva při pohlcování vody vázané. Hygroskopická voda se ukládá do buněčných stěn, vniká mezi mikrofibrily a tlačí je od sebe. Tím se zvětšují rozměry buněčných stěn a celého dřeva. Bobtnání probíhá jen do meze nasycení buněčných stěn (MNBS). Dalším přijímáním vody do buněčných dutin dřevo pouze těžkne. Rychlost bobtnání není rovnoměrná. Na začátku je bobtnání nejrychlejší, s přibližováním vlhkosti k MNBS se rychlost přijímání vody a bobtnání zpomaluje (zmenšení ztenčenin). S přibýváním vlhkosti a bobtnáním se zhoršují mechanické a fyzikální vlastnosti dřeva (Křupalová 1999). 16

15 Horáček 2001 popisuje bobtnání takto: Bobtnání je schopnost dřeva zvětšovat svoje lineární rozměry, plochu nebo objem při přijímání vázané vody v rozsahu vlhkosti dřeva 0 % až mez hygroskopicity (MH). Rozeznáváme bobtnání lineární (v jednotlivých anatomických směrech podélném, radiálním a tangenciálním), plošné (změna plochy tělesa) a objemové (změna objemu tělesa). Bobtnání dřeva od absolutně suchého stavu do meze hygroskopicity označujeme jako bobtnání celkové (maximální). Bobtnání dřeva v jakémkoliv menším intervalu nazýváme bobtnáním částečným. Bobtnání se vyjadřuje podílem změny k původní hodnotě a uvádí se nejčastěji v %. Maximální bobtnání dřeva lze také vypočítat podle následujícího vztahu: α i max = i max i i [%] [1] Kde: α imax maximální bobtnání (V; R,T,L)(%) i max hodnoty vlhkého (V; R,T,L) (m 3 ;m) i 0 hodnoty absolutně suchého (V; R,T,L) (m 3 ;m) Bobtnání je ve většině případů vnímáno jako negativní děj, ale jsou případy kdy je bobtnání žádoucí, například používáme-li dřevěnných kolíků pro zajištění spojů dřevěných konstrukcí, nebo při výrobě sudů kde díky nabobtnání dochází k utěsnění mezi jednotlivými dílci. Bobtnání má anizotropní charakter, to znamená, že v různých anatomických směrech bobtná rozdílně Obr.4. Podél vláken bobtnání dřeva obvykle nepřesahuje 1 %, průměrná hodnota pro naše dřeviny je 0,1 až 0,4 %. V příčném směrech na vlákna bobtná dřevo více. Konkrétně v radiálním směru 3 až 6 % a v tangenciálním je to dokonce 6 až 12 %. Velikost bobtnání závisí především na druhu dřeviny. Celkové objemové bobtnání je v podstatě součet bobtnání podélného, radiálního a tangenciálního (Horáček 2001). Literatura často uvádí poměr mezi bobtnáním v jednotlivých anatomických směrech: 17

16 α p : α r : α t = 20 : 10 : 1 Obr.4 Závislost bobtnání dřeva (Fagus spp.) na vlhkosti. 1 podélné, bobtnání 2 radiální, bobtnání 3 tangenciální,bobtnání 4 objemové bobtnání. Šrafovaná plocha představuje interval meze nasycení buň. stěn (Kollman Cóte 1968) Rozdílnost bobtnání v různých anatomických směrech způsobuje zejména orientace fibril v buněčné stěně Obr. 5 a tloušťka buněčné stěny. Fibrily se sledují především v S2 vrstvě, kde je jejich odklon nejmenší (15-30 %). Buněčná S2 vrstva tvoří tloušťku buněčné stěny až z 90 %. Buněčná vrstva S3 zabraňuje rozměrovým změnám lumenu, tudíž veškeré rozměrové změny působí směrem právě od lumenu ke Obr. 5 Odklon fibril v jednotlivých vrstvách buněčné stěny W svrchní část S3 vrstvy (zbytky cytoplazmy) CL Střední lamela (Grosser 1985) střední lamele. V podélném směru jsou rozměrové změny minimální. Tento fakt se vysvětluje nemožností vnikání vody do celulosových řetězců v jejich podélném směru díky pevným chemickým vazbám. Avšak i v tomto směru může dřevo výrazněji bobtnat díky většímu odklonu fibril v S2 vrstvě (např. juvenilní a tlakové dřevo). Rozdíl rozměrových změn v radiálním a tangenciálním směru je způsoben rozdílností tloušťky buněčné stěny v těchto směrech (tangenciální rozměr větší než radiální) a také radiálně orientovanými dřeňovými paprsky. Převážná orientace fibril ve stěnách parenchymatických buněk dřeňových paprsků je v radiální ose buňky, toto uložení způsobuje restrikci hygroexpanze dřeva v tomto směru. 18

17 Pro poměr mezi bobtnáním radiálním a tangenciálním se používá termín diferenciální bobtnání. Diferenciálního bobtnání se odvíjí od hustoty dřeva a platí že, s rostoucí hustotou se snižuje. Proto má jehličnaté dřevo celkově vyšší hodnotu diferenciálního bobtnání než listnaté. Průměrná hodnota se udává kolem 2, běžně se pohybuje v intervalu od 1 do 3,5 (Horáček 2001). Koeficient bobtnání Kα vyjadřuje procentickou změnu rozměrů při změně vlhkosti o 1 %. Výpočet a použití koeficientu bobtnání předpokládá, že změny rozměrů těles pod mezí hygroskopicity jsou lineárně úměrné změnám vlhkosti. Tento předpoklad není zcela přesný, ale jeho použití v praxi je dostačující ( Koeficienty bobtnání pro vybrané dřeviny uvádí následující Tab.3. Druh Koeficient bobtnání (%/1%w) dřeva Objemový K α Radiální K α Tangenciální K α MD 0,61 0,20 0,39 BO 0,51 0,18 0,31 SM 0,50 0,17 0,31 BK 0,55 0,18 0,35 JS 0,52 0,19 0,31 DB 0,50 0,19 0,29 Tab.3 Koeficienty bobtnání u vybraných druhů dřev (Ugolev 1975) Faktory ovlivňující bobtnání dřeva Rozměrové změny způsobené změnami vlhkosti v rozsahu vody vázané jsou ovlivňovány především vlhkostí, hustotou a anatomickou stavbou dřeva. Vlhkost dřeva ovlivňuje rozměrové změny nejvíce svým rozložením v průřezu tělesa, kdy nerovnoměrné rozložení způsobuje při vysychání dřeva vznik vlhkostních a zbytkových napětí. Tato napětí v důsledku hygroelastického efektu mohou pozměnit výsledné rozměrové změny. Za další vliv je možno považovat nelineární závislost bobtnání α a sesychání β na vlhkosti dřeva v intervalu 0 až 5 % a 20 % až MH. Průběh 19

18 závislosti odpovídá zhruba tvaru sorpční izotermy a může být tedy vysvětlován stejně jako teorie sorpce. Rychlost bobtnání je tím větší, čím více se vlhkost vzdaluje od dosáhnutí rovnovážného stavu (Požgaj 1993). 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 větším počtem potenciálních sorpčních míst v tlustších buněčných stěnách elementů dřeva. Vzhledem k neměnnosti rozměrů lumenu během hygroexpanze dřeva se vyšší hustota promítá do výraznějších rozměrových a objemových změn. 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. Struktura dřeva na všech úrovních, tedy submikroskopické, mikroskopické a makroskopické, je základním důvodem pro anizotropní charakter rozměrových změn. Na submikroskopické úrovní je rozhodující stavba buněčné stěny a orientace fibril v jednotlivých vrstvách. Například s rostoucím odklonem fibril v S 2 vrstvě buněčné stěny (juvenilní a tlakové dřevo) vzrůstá podélné bobtnání a sesýchání, což se projeví v podélném borcení dřeva. U jehličnatého dřeva způsobují velké ztenčeniny buněčné stěny (25µm) 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 buněčné stěny v radiálním a tangenciálním směru (u tracheid je radiální buněčná stěna zpravidla tlustší) a přítomnost dřeňových paprsků. Fibrily jsou ve stěnách parenchymatických buněk dřeňových paprsků orientovány v ose buňky, tedy v radiálním směru, což zapříčiňuje restrikci hygroexpanze dřeva v radiálním směru. (Horáček 2001). Na bobtnání má vliv také teplota. S rostoucí teplotou se bobtnání zvyšuje (Kajita a kol. 1979) Bobtnání dřeva v různých kapalinách S bobtnáním dřeva v různých kapalinách se můžeme setkat například při procesech jako jsou ochrana dřeva, rozvlákňování, chemická modifikace, rozměrová stabilizace apod. (Mantanis a kol. 1993) Dřevo bobtná kromě vody ve větší nebo menší 20

19 míře i v jiných kapalinách. Stupeň vnikání kapalin do submikroskopických kapilár se liší podle velikosti jejich molekul a permitivity (dielektrická konstanta). Bobtnání dřeva v různých kapalinách, je tím větší, čím je větší jejich permitivita. Kyselina mravenčí a voda patří ke kapalinám s vysokou permitivitou. Benzin patří naopak ke kapalinám s malou permitivitou (Požgaj 1997). Bobtnání závisí na velikosti molekul kapaliny. Čím větší molekuly kapaliny jsou, tím je bobtnání menší (Lexa a kol. 1952). Některé kapaliny, které mají velké molekuly, nemohou proniknout do submikroskopické struktury dřeva, a proto nemohou způsobit ani bobtnání. 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 bobtnání jen nepatrně. Kromě těchto faktorů ovlivňují bobtnání například molární hmotnost, bazicita (Obr.6) a další (Mantanis a kol 1993). Obr.6 Maximální tangenciální bobtnání smrku v 18-ti vybraných kapalinách ve 3.3 Nasáklivost vztahu k jejich bazicitě (Mantanis 1993). Nasáklivost dřeva je schopnost dřeva v důsledku pórovité stavby nasávat vodu ve formě kapaliny. Dřevo považujeme za maximálně nasáklé (maximální vlhkost) jsouli buněčné stěny plně nasyceny vodou vázanou a zároveň obsahuje-li dřevo v kapilárách 21

20 maximální možné množství vody volné. Množství vody volné je závislé především na pórovitosti dřeva, která je nepřímo úměrná hustotě dřeva (Horáček 2001). Největší množství pohlcené vody se skládá z vody volné (kapilární) a vody vázané (hygroskopické). Množství vázané vody je přibližně 30 %, množství volné vody závisí na objemu buněčných dutin všech dřevních buněk (Křupalová 1999). Nasáklivost lze také vypočítat dle následujícího vztahu: W 1 = MNBS + ρ0 1 1 ρ s ρ k 1 ρ s max [1] Kde: W max maximální vlhkost dřeva MNBS mez nasycení buněčných stěn (%) ρ k konvenční hustota dřeva (kg m -3 ) ρ 0 hustota absolutně suchého dřeva (kg m -3 ) ρ s hustota dřevní substance (kg m -3 ) K maximálnímu nasycení dřeva vodou dojde za poměrně dlouhou dobu (týdny). Rychlost nasáklivosti je ovlivněna několika faktory, především druhem dřeva (anatomie, hustota, pórovitost), vlastnostmi kapaliny (velikost molekul, permitivita), počáteční vlhkostí, teplotou a tvarem materiálu. S rostoucí hustotou dřeva nasáklivost klesá. Jádro má nižší nasáklivost než běl. Zvýšením teploty (dodáním energie) se nasáklivost dřeva zrychluje. Maximální vlhkost pro vybrané druhy dřev je v Tab.4 Druh dřeva W max (%) Druh dřeva W max (%) MD 123 HB 96 BO 178 DB 119 SM 203 BR 131 JD 250 OS 190 Tab.4 Maximální vlhkost vybraných dřev (Ugolev 1975). 3.4 Mez nasycení buněčných stěn a mez hygroskopicity Mez nasycení buněčných stěn (MNBS) lze charakterizovat jako maximální vlhkost buněčných stěn dřeva, které bylo dlouhodobě uloženo ve vodě. Vlhkost při 22

21 MNBS se u našich dřevin pohybuje v rozmezí 22 až 35 % (průměrně 30 %) a závisí zejména na druhu dřeva, tj. anatomické a chemické stavbě dřeva. Vzhledem k obtížnému určení MNBS je vhodnější pro odlišení vody vázané a volné volit 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 %). Rozdíl mezi MNBS a MH tedy spočívá v prostředí, kterému je dřevo vystaveno. U MNBS je to voda ve formě kapaliny, u MH je to voda ve skupenství plynném. Při teplotě 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 (Horáček 2001). Mez hygroskopicity u různých druhů dřev je znázorněna v Tab.5. HM (%) Jádrové dřevo jehličnanů s vysokým obsahem pryskyřice Jádrové dřevo listnáčů s kruhovitě a polokruhovitě pórovitou stavbou dřeva Jádrové dřevo jehličnanů s nižším obsahem pryskyřice A) Jehličnatá dřeva s bělí a vyzrálým dřevem, B) bělové dřevo jehličnatých dřevin s výrazným jádrem Listnatá dřeva s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva a více Bělové dřevo listnáčů s kruhovitě pórovitou stavbou Druh dřeva Borovice, modřín, douglaska, vejmutovka, limba Akát, kaštanovník, dub, jasan, ořešák, třešeň Borovice, modřín, douglaska A) Smrk, jedle B) Vejmutovka, borovice, modřín Lípa, vrba, topol, olše, bříza, buk, habr Akát, kaštanovník, dub, jasan, ořešák, třešeň Tab.5 Mez hygroskopicity u různých druhů dřev (Trendelenburg a Mayer- Wegelina 1955 upravil Matovič 1993). Závislost meze nasycení buněčných stěn na hustotě dřeva lze vyjádřit vztahem: 1 1 MNBS ρ ρk ρ = 0 Kde: MNBS mez nasycení buněčných stěn nebo MH (g g -1 ) ρ k konvenční hustota (kg m -3 ) ρ 0 hustota absolutně suchého dřeva (kg m -3 ) ρ H2O hustota vody (kg m -3 ) kap [2] 23

22 3.5 Teorie sorpce Dřevo je hygroskopický materiál, který má schopnost měnit svoji vlhkost podle okolního prostředí. Teorie sorpce se týká spíše MH než MNBS, tedy přijímání vlhkosti ze vzduchu. I toto, je však způsob, jakým se do dřeva mohou kapaliny dostat a způsobit změny dimenzí dřeva. Zároveň tato kapitola popisuje jak se voda ve dřevě váže do kapilár a mikrokapilár (Obr.7.) Rozlišují se 3 fáze sorpce: - monomolekulární sorpce (absorpce) - polymolekulární sorpce (adsorpce) - kapilární kondenzace Obr.7 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 vody D Znázornění monomolekulární (tmavé) a polymolekulární (bílé) vrstvy vody vázané Monomolekulární sorpce Předpokládá se, že molekuly vody jsou poutány přitažlivými silami sorpčních míst neorientovaných amorfních oblastí celulosových řetězců, případně celé holocelulózy. Vazbami přes vodíkové můstky jsou molekuly vody vázány do 24

23 mezimicelárních a mezifibrilárních prostor, které jsou pro molekuly vody dostatečně prostorné (průměr molekuly vody 0,3 nm). Vzhledem k submikroskopické stavbě buněčné stěny dochází k monomolekulární sorpci nejprve v amorfní oblasti micel, kde se nachází nejvíce volných hydroxylových skupin. Touto teorií je vysvětlována sorpce při RVD 0 7 %, což odpovídá ϕ 20 %. Nízká rovnovážná vlhkost dřeva ještě nezpůsobuje významnější bobtnání buněčné stěny, proto monomolekulární sorpci nedoprovází změny a dislokace v krystalické oblasti celulosy (Horáček 2001) Polymolekulární sorpce Na monomolekulární sorpci navazuje polymolekulární sorpce. Nad vrstvičkou molekul vody poutaných vodíkovými můstky sorpčních míst se adsorbují další molekuly vody, které vytváří polymolekulární vrstvu. Tato vrstva je tvořena až pěti vrstvami molekul. S rostoucí vzdáleností molekul od povrchu sorbetu (holocelulosa) 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 celulosy vytváření mezokapilár. Touto teorií je vysvětlována sorpce při RVD 7 až 15 %, což odpovídá ϕ = 20 až 70 % (Horáček 2001) 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 ke kondenzaci vodní páry a následně ke smáčení vnitřního povrchu dřeva, jako u kapaliny se stejnými fyzikálními vlastnostmi. S rostoucí vlhkostí je tato voda odváděna do intermicelárních a interfibrilárních prostor buněčné stěny. Maximální vlhkost závisí na maximálním roztažení fibrilární struktury. Roztažení závisí na mechanických vlastnostech buněčné stěny (pružnost), na vrstevnatosti buněčné stěny s různým průběhem fibrilární struktury v S2 vrstvách buněčné stěny. Teorie kapilární kondenzace se uplatňuje při RVD od 15 do 20 % do MH (Horáček 2001). 25

24 3.6 Charakteristika kapalin Voda Voda, je chemická sloučenina vodíku a kyslíku (Obr.8.) 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 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 také základní podmínkou rostlinné a živočišné výroby a zdrojem obživy v přímořských státech. 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) 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 čistější než destilace. Destilovaná voda se používá především v laboratořích, ale například i do chladičů a akumulátorů v automobilech, nebo do napařovacích žehliček. Má ph 7, tedy neutrální. Dá se vytvořit destilací běžné vody za normálního tlaku. Ačkoliv se jedná o chemicky čistou látku, destilovaná voda není vhodná 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. 26

25 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. ( Kyselina mravenčí Kyselina mravenčí (acidum formicum), methanová kyselina je nejjednodušší karboxylovou (organickou) kyselinou. Z jejího vzorce (Obr.9) vyplývá, že na karboxylovou skupinu COOH je vázán pouze jeden vodík. Je to bezbarvá na vzduchu dýmající ostře páchnoucí kapalina. Molární hmotnost 46,0248 g/mol Teplota tání 8,4 C (281,6 K) Teplota varu 100,8 C (374,0 K) Hustota 1,22 g/cm³ (kap.) Obr.9: Prostorový a strukturní model molekuly Kyselina mravenčí je obsažena v mravenčím jedu, odkud pochází její název. Dále je obsažena např. v kopřivách. Kyselina mravenčí má leptavé účinky a používá se především v organické technologii. Tvoří jako ostatní kyseliny soli, které se nazývají mravenčany. Syntetická kyselina mravenčí se užívá k výrobě barviv, v gumárenském průmyslu a v koželužství k odvápnění kůže, též jako přídavná látka do potravin pod označením E 236. Je to nejsilnější kyselina z karboxylových kyselin, protože je bez uhlíkového řetězce a bez mezomerního efektu. Vysoký bod varu má díky relativně vysoké molární hmotnosti. Má silné redukční účinky. HCOOH --> CO 2 + H 2 O ( 27

26 3.6.3 Benzin Benzín je čirá bezbarvá až nažloutlá, vysoce hořlavá kapalina charakteristického (benzinového) zápachu. Benzin je kapalná směs uhlovodíků (zejména alkanů, cykloalkanů, aromatických uhlovodíků a alkenů s 5 až 12 atomy uhlíku na molekulu). Benzin je směs vyráběná frakční destilací z ropy a používaná jako palivo v zážehových spalovacích motorech. Za běžných atmosférických podmínek je při 20 C lehce odpařitelný. Benzin je pro člověka zdraví škodlivá látka. Vdechováním může benzin dráždit dýchací ústrojí, působit narkoticky. Může také vyvolávat nevolnost, zvracení, bolesti hlavy, v některých případech i bezvědomí. Při styku s kůží může způsobit podráždění, při dlouhodobém nebo opakovaném kontaktu s pokožkou dochází k odmaštění, vysušení, až zánětu kůže. Stykem benzinu s očima může dojít k podráždění, pálení očí. Požitím benzinu vdechnutím do plic může dojít k vážnému poškození plic, otoku plic. Požití 20 až 40 g benzínu může mít pro člověka smrtelné následky porucha až ztráta vědomí, křeče. ( Teplota vznícení 220 C Bod vzplanutí 11 C Hustota (při 15 C): 700 kg/m 3 28

27 4. Materiál a metodika Měření vzorků vycházelo z následujících norem: ČSN Dřevo, zjišťování vlhkosti při fyzikálních a mechanických zkouškách ČSN Metoda zjišťování nasáklivosti a navlhavosti ČSN Dřevo, zjišťování hustoty při fyzikálních a mechanických zkouškách ČSN Skúšky vlastností rostlého dreva. Metoda zisťovania napučavosti ČSN Metoda zjišťování nasáklivosti 4.1 Stanovení maximálního bobtnání a nasáklivosti dubu Materiál Pro měření bylo zvoleno dřevo dubu letního (Quercus robur L.). Zkušební tělíska byla bez mechanického poškození či napadení biotickými škůdci. Zkušební vzorky neobsahovaly suky, trhliny, dřeň ani jiné viditelné vady. Byla použita zkušební tělesa o standardních rozměrech mm (±0,5 mm). Všechny plochy těles byly vzájemně kolmé. Pro měření bylo zvoleno celkem 180 ks vzorků o výše uvedených parametrech. Pro měření byly použity vzorky dříve zhotovené pro výzkum (Šácha 2006, Kuba 2006). Vzorky pocházely z polesí Tvrdonice a byly uloženy na ústavu nauky o dřevě LDF MZLU v Brně Před samotným měřením bylo nutno vzorky vybrat a zkontrolovat, jestli jsou bez vad a poškození. Bylo vybráno 180 ks vzorků pro všechny kapaliny (pro každou kapalinu soubor 60 ks). 29

28 4.1.2 Metodika a stanovení výsledků Zkušební tělíska se nejprve vysušila do absolutně suchého stavu v konvekční sušárně při teplotě 103 C. Po vysušení bylo provedeno měření hmotnosti absolutně suchých těles na digitální váze s přesností 0,01 g a měření rozměrů posuvným měřidlem s přesností 0,01 mm v základních anatomických směrech. Poté byly vzorky uloženy do exsikátorů se sledovanými kapalinami (voda, benzin, kyselina mravenčí). Ze souboru 60 vzorků v každé kapalině bylo vybráno a označeno 5 vzorků pro kontrolní měření rozměrů ve 2 až 3 denních intervalech až do dosažení MNBS, které se projevilo neměnností rozměrů vzorků (viz kapitola 2.3 Bobtnání dřeva). Při dosažení MNBS byl změřen celý soubor vzorků v dané kapalině. Vzorky byly po dosažení MNBS nadále ponechány v kapalinách pro sledování nasáklivosti. Při měření nasáklivosti se sledovala pouze hmotnost pěti kontrolních vzorků. Kontrolní měření bylo prováděno v intervalu 3 až 4 dny až do stavu, kdy se hmotnost těchto pěti vzorků neměnila (viz kapitola 3.5 Nasáklivost). Při zjištění neměnnosti hmotnosti bylo provedeno měření celého souboru vzorků v dané kapalině. Při měření, zejména v benzinu, bylo nutné postupovat velmi rychle, neboť se jedná o těkavou látku a tak docházelo k rychlému odpařování kapaliny, jak ze vzorků, tak z volné kapaliny. U kyseliny mravenčí byl tento jev poměrně slabší, naopak u vody bylo nutno povrch těles otírat filtračním papírem, aby nedocházelo k chybám měření způsobenými kapalinou na povrchu těles. Obr.10 Uložení vzorků v exsikátorech s kapalinami U benzinu a kyseliny mravenčí bylo nutno postupovat při práci zároveň velmi opatrně a dodržovat bezpečnostní předpisy, zejména používat ochranné prostředky, protože se jedná o zdraví škodlivé látky způsobující například poleptání sliznic a pokožky. U všech zkušebních těles byl po naměření rozměrů vypočítán nejprve objem a po naměření hmotnosti také hustota podle následujících vzorců: 30

29 V 3 = a b c [ m ] [3] Kde: V objem tělesa (m 3 ) a tloušťka tělesa (m) b šířka tělesa (m) c délka tělesa (m) ρ m kg m 0 0 = 3 V0 [4] Kde: ρ 0 hustota vysušeného vzorku (kg m -3 ) M 0 hmotnost vysušeného vzorku (kg) V 0 objem vysušeného vzorku (m 3 ) Výpočet nasáklivosti a maximálního bobtnání v jednotlivých směrech byl proveden podle následujících vztahů: W max = mw m ρ m kap [%] [5] Kde: W max maximální vlhkost dřeva (%) m w hmotnost vlhkého dřeva (kg) m 0 hmotnost suchého dřeva (kg) ρ kap hustota kapaliny (kg m -3 ) α i max = i max i i [%] [1] Kde: α imax maximální bobtnání (V; R,T,L)(%) i max hodnoty vlhkého (V; R,T,L) (m 3 ;m) 31

30 i 0 hodnoty absolutně suchého (V; R,T,L) (m 3 ;m) Z maximálního bobtnání α imax v tangenciálním a radiálním směru bylo vypočteno diferenciální bobtnání podle vztahu: αt α dif = α r [6] Kde: α dif diferenciální bobtnání (bezrozměrná veličina) α t tangenciální bobtnání (%) α r radiální bobtnání (%) Pro výpočet MNBS a koeficientu bobtnání byla nejprve vypočtena konvenční hustota (basic specific gravity) ρ k podle vztahu: ρ w m kg m w = 3 Vw [7] Kde: ρ k konvenční hustota dřeva (kg m -3 ) m 0 hmotnost vysušeného dřeva (kg) V max objem maximálně nabobtnalého dřeva (m 3 ) Konvenční hustota se změří u maximálně nabobtnalých těles, tedy při dosažení MNBS jelikož za hranicí MNBS se rozměry dřeva nemění. Vztah pro výpočet MNBS: viz. [2] Vztah pro výpočet koeficientu bobtnání dřeva: K = α MNBS % % i max α i [8] 32

31 Kde: K α i - Koeficient bobtnání (V; R,T,L) (bezrozměrná veličina) α imax maximální bobtnání (V; R,T,L)(%) MNBS mez nasycení buněčných stěn (%) Výpočty zjištěné hodnoty byly statisticky zpracovány a vyhodnoceny do podoby výstupních dat v programu Statistica 8. Výstupní data jsou uvedena v kapitole 5. Výsledky Zařízení a pomůcky Digitální váha Scaltec SBC41 s přesností 0,01 g Elektronické posuvné měřidlo s přesností 0,01 mm Konvekční sušárna sušení při teplotě 103 ± 2 C Exsikátory 3ks Pinzeta Petriho misky Kádinky Stopky Stojan Filtrační papír Digestoř Ochranné prostředky (gumové rukavice, plastový štít, ochranné brýle, pracovní oděv) 33

32 4.2 Stanovení rychlosti bobtnání dubu v kapalinách Materiál Pro měření rychlosti bobtnání byly vytvořeny vzorky dubu o rozměrech mm ±0,5 mm. Vzorky byly bez viditelných vad, běle nebo dřeně. Jednotlivé plochy zkušebních těles byly řádně opracovány a byly vzájemně kolmé. Odklon vláken zkušebních tělísek nebyl větší než 10. Při měření rychlosti bobtnání ve vodě a kyselině mravenčí bylo měřeno 5 vzorků. Pro stanovení rychlosti bobtnání v benzinu byla provedena pouze čtyři měření Metodika a stanovení výsledků Pro stanovení rychlosti bobtnání ve vodě, benzinu a kyselině mravenčí byla zvolena metoda vytlačování kapaliny podle Olsena. Před měřením rychlosti bobtnání bylo u vzorků nejprve změřeno zastoupení jarního a letního dřeva na dendrometru v dendrochronologické laboratoři Ústavu nauky o dřevě LDF MZLU. Dendrometricky změřená zkušební tělesa byla několik hodin sušena v konvekční sušárně při teplotě 103 C do absolutně suchého stavu. Takto vysušená tělesa byla uložena do polypropylenového (PP) sáčku aby nedocházelo k opětovnému přijímaní vlhkosti z okolního prostředí do vzorků. Tělesa byla tedy opatřena proti přijímání vlhkosti z okolí a nechala se několik minut klimatizovat. Klimatizace vzorků byla provedena protože vysoká teplota vzorků by při máčení zvýšila kinetickou energii molekul kapaliny v okolí vzorku a tím pádem by došlo k urychlení vnikání kapaliny do kapilár a mikrokapilár vzorků a následně i bobtnání. Ohřevem kapaliny by také mohlo dojít k většímu vypařování. Po klimatizaci vzorků bylo vždy jedno zkušební těleso vyjmuto z PP sáčku, nabodnuto na závěsnou jehlu. Ta byla zavěšena na stojan tak, aby vzorek byl těsně pod hladinou kapaliny v kádince, umístěné na digitální váze Obr

33 Před prvním měřením byla na digitální váhu umístěna kádinka s kapalinou a odečtena její hodnota. Byla použita kádinka s nejmenším dostupným průměrem z důvodu minimalizace plochy odpařování kapaliny, což bylo důležité zejména u benzinu. Zároveň se zavěšením jehly se vzorkem do kapaliny, byly spuštěny stopky. Uložení vzorku těsně pod hladinou kapaliny je důležité pro minimalizaci chyb v měření způsobenou objemem jehly, která by vytlačovala kapalinu. Měření bylo Obr.11 Laboratorní sestava pro měření rychlosti bobtnání prováděno v pravidelných intervalech. Při měření rychlosti bobtnání ve vodě bylo provedeno pět měření v intervalu 3 min. U benzinu byla provedena nejprve dvě měření každou minutu po dobu 61 minut, z důvodů velkých chyb měření způsobených odpařováním benzinu z hladiny a z vyjímaných vzorků byl zvolen pro další dvě měření dvouminutový interval, avšak ani ten nepřinesl hodnotná data. U měření rychlosti bobtnání v kyselině mravenči bylo provedeno pět měření po dobu 87 minut v intervalu 3 min. Před ponořením vzorků do kapaliny byla digitální váha vynulována. Po ustálení byla odečtena hodnota z displeje váhy nezbytná pro výpočet objemu vzorku. Při měření v benzinu a kyselině mravenčí byl proveden přepočet kvůli hustotě kapalin. U vody a kyseliny mravenčí bylo nutné otírat vzorky po vytažení z kapaliny do filtračního papíru a nulovat váhy z důvodu ulpívání kapaliny na povrchu vzorků. Hodnoty hmotnosti vytlačené kapaliny naměřené na digitální váze, bylo nutno u benzinu a kyseliny mravenčí přepočítat na objem vzorku ponořeného v kapalině podle následujícího vztahu: V = ρ m kap Λ 3 [ m ] [9] 35

34 Kde: V objem vzorku (m 3 ) ρ kap hustota kapaliny (kg/m 3 ) m hmotnost vytlačené kapaliny (kg) Míra bobtnání byla vypočtena podle následujícího vztahu: α Vi = V wi V V [%] [10] Kde: α Vi objem vzorku (%) V wi objem vlhkého vzorku (cm 3 ) V 0 objem suchého vzorku (cm 3 ) i číslo měření Všechna získaná data byla dále zpracována a vyhodnocena v programu Statistica 8. Výstupní data jsou uvedena v kapitole 5. Výsledky Zařízení a pomůcky Digitální váha Scaltec SBC41 s přesností 0,01 g Elektronické posuvné měřidlo s přesností 0,01 mm Konvekční sušárna sušení při teplotě 103 ± 2 C Formátovací pila Dendrometr Pinzeta Kádinky Závěsná jehla Stopky 36

35 Stojan Filtrační papír Počítačový panel + software Open office Ochranné prostředky (gumové rukavice, plastový štít, ochranné brýle, pracovní oděv) 37

36 5. Výsledky 5.1 Bobtnání a nasáklivost dubu ve sledovaných kapalinách Hustota absolutně suchého dřeva Statistické vyhodnocení hustoty všech měřených dubových těles v absolutně suchém stavu určených pro uložení do kapalin je uvedeno v Tab.6 a znázorněno na Obr.12. Vzorků Průměr Medián Minimum Maximum Sm.odch. Var. koef ,83 654,17 534,15 748,29 45,03 6,94 Tab.6 Popisná statistika hustoty absolutně suchého dřeva (kg/m 3 ). Tyto hodnoty vypovídají o tom, že pro všech 180 měřených vzorků byla zjištěna průměrná hustota dubu v absolutně suchém stavu 648,83 kg/m 3. Variační koeficient byl 6,94 %. Z toho vyplývá, že hustota všech těles měla malou variabilitu 760 Krabicový graf hustoty absolutně suchých vzorků Hustota kg/m Prom1 180 vzorků 25%-75% = (623,2611, 681,563) Rozsah neodleh. = (538,7025, 748,2947) Odlehlé Obr.12 Krabicový graf hustoty absolutně suchých vzorků (180ks) 38

37 5.1.2 Bobtnání a nasáklivost dubu ve vodě V Tab.7 jsou uvedeny hodnoty pro soubor vzorků v absolutně suchém stavu, určené pro uložení do vody. Tab.8 uvádí hodnoty rozměrů při maximálním nabobtnání vzorků. Tohoto maxima bylo u vody dosaženo po 9 dnech. Dále tato tabulka uvádí maximální hmotnosti vzorků dosažené po 75 dnech uložení ve vodě. V Tab.9 jsou hodnoty bobtnání celkového, bobtnání v jednotlivých směrech a hodnoty maximální vlhkosti. V Tab.10 jsou uvedeny koeficienty bobtnání v jednotlivých směrech, objemového a koeficient diferenciálního bobtnání. T (mm) R (mm) L (mm) m 0 (g) V 0 (mm 3 ) ρ 0 (kg/m 3 ) Průměr 19,07 18,23 30,04 6, ,60 644,25 Medián 19,09 18,20 30,05 6, ,49 658,43 Minimum 18,66 17,26 29,53 5, ,94 534,15 Maximum 19,35 18,91 30,70 7, ,19 745,22 Sm.odch. 0,15 0,26 0,19 0,46 179,77 51,74 Var. koef.. 0,77 1,42 0,65 6,91 1,72 8,03 Tab.7 Statistické vyhodnocení absolutně suchých vzorků před máčením ve vodě T (mm) R (mm) L (mm) m max (g) V max (mm 3 ) ρ max (kg/m 3 ) Průměr 20,03 19,87 30,16 13, , ,68 Medián 20,02 19,90 30,15 13, , ,24 Minimum 19,75 19,26 29,88 12, , ,53 Maximum 20,41 20,20 30,78 14, , ,58 Sm.odch. 0,15 0,18 0,17 0,42 154,71 36,37 Var. koef. 0,76 0,92 0,56 3,03 1,29 3,16 Tab. 8 Statistické vyhodnocení maximálně nabobtnalých vzorků ve vodě ρ K (kg/m 3 ) w max (%) MNBS(%) α r (%) α t (%) α l (%) α v (%) Průměr 559,63 106,38 23,42 5,05 9,03 0,47 15,07 Medián 576,04 102,83 23,66 5,04 9,19 0,30 14,93 Minimum 470,57 86,49 18,61 3,45 5,61-0,13 11,81 Maximum 638,87 140,63 28,81 7,22 11,59 2,51 19,53 Sm.odch. 40,84 11,49 2,21 0,84 1,17 0,49 1,70 Var. koef. 7,30 10,80 9,42 16,69 12,98 105,66 11,26 Tab. 9 Statistické vyhodnocení maximální vlhkosti a celkového bobtnání v anatom. směrech 39

38 K αr K αt K αl K αv K αdif Průměr 0,22 0,39 0,02 0,64 1,83 Medián 0,22 0,39 0,01 0,66 1,78 Minimum 0,16 0,26-0,01 0,53 1,00 Maximum 0,30 0,52 0,10 0,75 2,79 Sm.odch. 0,03 0,05 0,02 0,05 0,37 Var. koef. 14,09 12,82 100,16 8,03 19,99 Tab. 10 Koeficienty bobtnání ve vodě Bobtnání a nasáklivost dubu v benzinu V Tab.11 jsou uvedeny hodnoty pro soubor vzorků v absolutně suchém stavu, určené pro uložení do benzinu. Tab.12 zobrazuje hodnoty rozměrů při maximálním nabobtnání vzorků. Tohoto maxima bylo u máčení v benzinu dosaženo po 25 dnech. Dále tabulka uvádí maximální hmotnost vzorků dosažené po 75 dnech uložení v benzinu. Tab.13 uvádí hodnoty bobtnání celkového a v jednotlivých směrech, maximální vlhkosti. V Tab.14 jsou uvedeny koeficienty bobtnání v jednotlivých směrech, objemového a koeficient diferenciálního bobtnání. T (mm) R (mm) L (mm) m 0 (g) (mm 3 ) ρ 0 (kg/m 3 ) Průměr 19,00 18,11 30,03 6, ,92 659,90 Medián 19,01 18,12 30,03 6, ,49 654,20 Minimum 18,56 17,60 29,73 6, ,57 588,76 Maximum 19,27 18,53 30,19 7, ,45 748,29 Sm.odch. 0,14 0,21 0,11 0,37 122,48 37,78 Var. koef. 0,76 1,16 0,35 5,43 1,19 5,72 Tab.11 Statistické vyhodnocení absolutně suchých vzorků před máčením v benzinu V 0 T (mm) R (mm) L (mm) m max (g) V max (mm 3 ) ρ max (kg/m 3 ) Průměr 18,98 18,09 30,03 9, ,85 936,62 Medián 19,01 18,11 30,03 9, ,87 938,48 Minimum 18,56 17,59 29,70 8, ,97 863,69 Maximum 19,24 18,48 30,23 10, , ,76 Sm.odch. 0,14 0,21 0,10 0,36 121,18 35,84 Var. koef. 0,74 1,14 0,33 3,75 1,18 3,83 Tab.12 Statistické vyhodnocení maximálně nabobtnalých vzorků v benzinu 40

39 ρ K w max (kg/m 3 ) (%) MNBS(%) α r (%) α t (%) α l (%) α v (%) Průměr 661,05 41,92-0,21-0,09-0,09 0,01-0,17 Medián 651,46 40,89-0,25-0,05-0,11-0,03-0,22 Minimum 591,53 31,25-0,98-0,73-0,92-0,20-0,79 Maximum 746,89 55,27 1,18 0,37 1,04 0,50 1,00 Sm.odch. 37,73 5,68 0,41 0,21 0,28 0,15 0,35 Var. koef. 5,71 13,55-201,25-226,81-299, ,01-200,15 Tab.13 Statistické vyhodnocení maximální vlhkosti a celkového bobtnání v anatom. směrech K αr K αt K αl K αv K αdif Průměr 0,13 0,04 0,68 0,86-0,27 Medián 0,26 0,36 0,15 0,85 0,00 Minimum -9,07-18,83-1,42 0,76-9,93 Maximum 2,30 2,44 28,74 0,97 4,24 Sm.odch. 1,39 2,58 3,72 0,05 2,34 Var. koef. 1042, ,00 542,99 5,72-852,83 Tab.14. Koeficienty bobtnání v anatomických směrech, objemové bobtnání a diferenciální bobtnání v benzinu Bobtnání a nasáklivost dubu v kyselině mravenčí V Tab.15 jsou hodnoty pro soubor vzorků v absolutně suchém stavu, před uložením do kyseliny mravenčí. Tab.16 uvádí hodnoty rozměrů při maximálním nabobtnání vzorků. Tohoto maxima bylo dosaženo již po 15 dnech. Dále tato tabulka uvádí maximální hmotnost vzorků dosažené po 43 dnech uložení v kyselině. Tab.17 uvádí hodnoty bobtnání celkového a v jednotlivých směrech, maximální vlhkosti. V Tab.18 jsou uvedeny koeficienty bobtnání v jednotlivých směrech, objemový a koeficient diferenciálního bobtnání. T (mm) R (mm) L (mm) m 0 (g) (mm 3 ) ρ 0 (kg/m 3 ) Průměr 19,04 18,27 30,02 6, ,56 643,33 Medián 19,04 18,29 30,06 6, ,22 648,90 Minimum 18,77 17,53 29,27 5, ,32 540,57 Maximum 19,33 18,72 30,26 7, ,25 735,70 V 0 41

40 Sm.odch. 0,14 0,25 0,16 0,39 156,66 43,38 Var. koef. 0,75 1,38 0,54 5,87 1,50 6,74 Tab.15 Statistické vyhodnocení suchých vzorků před máčením v kyselině mravenčí T (mm) R (mm) L (mm) m max (g) V max (mm 3 ) ρ max (kg/m 3 ) Průměr 20,13 21,10 30,14 15, , ,87 Medián 20,11 21,15 30,15 15, , ,03 Minimum 19,84 20,37 29,70 14, , ,48 Maximum 20,47 21,58 30,55 16, , ,74 Sm.odch. 0,14 0,27 0,17 0,53 204,29 37,31 Var. koef. 0,67 1,27 0,56 3,40 1,60 3,07 Tab.16 Statistické vyhodnocení maximálně nabobtnalých vzorků v kyselině ρ K w max (kg/m 3 ) (%) MNBS(%) α r (%) α t (%) α l (%) α v (%) Průměr 524,51 132,50 42,83 5,72 15,47 0,42 22,59 Medián 530,10 131,52 42,74 5,64 15,65 0,27 22,72 Minimum 457,11 107,32 35,70 4,31 11,89-0,13 17,77 Maximum 593,54 160,50 49,99 7,74 18,66 1,80 27,23 Sm.odch. 29,70 10,52 2,96 0,81 1,59 0,40 2,21 Var. koef.. 5,66 7,94 6,92 14,25 10,26 95,94 9,77 Tab.17 Statistické vyhodnocení maximální vlhkosti a celkového bobtnání v anatom. směrech K αr K αt K αl K αv K αdif Průměr 0,13 0,36 0,01 0,53 2,75 Medián 0,13 0,37 0,01 0,53 2,75 Minimum 0,10 0,30 0,00 0,44 1,85 Maximum 0,18 0,42 0,04 0,60 4,02 Sm.odch. 0,02 0,03 0,01 0,04 0,45 Var. koef. 13,06 8,13 92,74 6,74 16,27 Tab.18. Koeficienty bobtnání v anatomických směrech, objemové bobtnání a diferenciální bobtnání v kyselině mravenčí 42

41 5.2 Rychlost bobtnání dubu ve sledovaných kapalinách Měření bylo prováděno při pokojové teplotě 22±2 C. Pro měření rychlosti bobtnání byly použity vzorky o dvou různých počtech letokruhů. První vzorky měly 4 letokruhy a zastoupení jarního dřeva bylo 15,9 až 19,9 %. Druhá skupina vzorků měla 13 až 15 letokruhů a zastoupení jarního dřeva bylo 38,6 až 46,2 %. Pro měření rychlosti bobtnání byly pro každou kapalinu vybrány z obou skupin alespoň 2 vzorky. Kvůli malému počtu vzorků nebylo možno vyhodnotit a zjistit závislost mezi šířkou letokruhu a rychlostí bobtnání, nebo mezi poměrným zastoupením jarního dřeva a rychlosti bobtnání Rychlost bobtnání dubu ve vodě Jak je vidět na Obr.13 při měření rychlosti bobtnání ve vodě došlo zpočátku měření k velmi razantnímu nárůstu rozměrů, který se postupně snižoval, až se blížil pod hranici 15 % objemového bobtnání α V. 18 Průběh rychlosti bobtnání dubu be vodě Průměr; Svorka: Průměr±0,95 Int. spolehl objemové bobtnání (%) Čas (min) Obr.13 Průběh objemového bobtnání dubu ve vodě Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Odlehlé 43

42 Průměrné hodnoty byly od 6. minuty měření proloženy přímkou. Z Obr.14 je patrné, že rychlost bobtnání ve vodě je 0,146 %/min. Korelační koeficient vypovídá o vysoké závislosti. 16 Rychlost bobtnání dubu ve vodě (%/min) % = 7,7231+0,1465*x; 0,95 Int.spol Objemové bobtnání (%) čas (min):%: y = 7, ,1465*x; r = 0,9925; p = ; r 2 = 0, čas (min) Obr.14 Rychlost objemového bobtnání ve vodě Rychlost bobtnání dubu v benzinu Na Obr.15 je vidět, že při měření rychlosti bobtnání v benzinu došlo zpočátku měření k mírnému nárůstu rozměrů, který se změnil v téměř pravidelné kolísání hodnot přibližně okolo hranice 2 %, objemového bobtnání α V. Průběh je vytvořen průměrem hodnot ze čtyř měřených vzorků. Jednotlivá měření byla provedena v intervalu 2 minut a trvala celkem 62 minut. Z tohoto grafu je také patrné, že docházelo k velkým rozptylům hodnot mezi jednotlivými vzorky. 44

43 5 Průběh rychlosti bobtnání v benzinu Průměr; Svorka: Průměr±0,95 Int. spolehl. 4 Objemové bobtnání (%) Čas (min) Obr.15 Průběh objemového bobtnání dubu v benzinu Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Odlehlé Průměrné hodnoty byly proloženy přímkou od 2. minuty měření. Na Obr.16 je možné vidět, že toto proložení ukázalo v tomto intervalu téměř konstantní, až mírně klesající trend. Z tohoto grafu také vyplývá, že vyšel záporně korelační koeficient a mírně záporná rychlost bobtnání -0,0005 %/min. 2,4 Rychlost bobtnání v benzinu Prom1 = 1,8867-0,0005*x; 0,95 Int.spol. 2,2 Objemové bobtnání (%) 2,0 1,8 1,6 1,4 Prom2:Prom1: y = 1,8867-0,0005*x; r = -0,0393; p = 0,8339; r 2 = 0,0015 1, Čas (min) Obr.16 Rychlost objemového bobtnání v benzinu 45

44 5.2.3 Rychlost bobtnání dubu v kyselině mravenčí Jak je vidět na Obr.17 při měření rychlosti bobtnání v kyselině mravenčí došlo zpočátku měření k velmi razantnímu nárůstu rozměrů, který poté nabyl téměř lineárně vzestupný charakter, ke konci měření došlo ke zmírnění tohoto trendu u hodnoty 20 % objemového bobtnání α V. U hodnoty 20 %.však nedošlo k zastavení trendu nárůstu objemového bobtnání. Jedná se o průběh vytvořený průměrem hodnot z měření pěti vzorků. Měření probíhalo v intervalu 3 minuty po dobu 87 minut. 30 Průběh rychlosti bobtnání v kyselině mravenčí Průměr; Svorka: Průměr±0,95 Int. spolehl. 25 Objemové bobtnání (%) Čas (min) Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Odlehlé Obr.17 Průběh objemového bobtnání dubu v kyselině mravenčí Průměrné hodnoty byly proloženy v intervalu od 3. minuty až do konce měření, kde se jednalo o téměř lineární průběh bobtnání. Z Obr.18 je patrné, že bobtnání v kyselině mravenčí v tomto intervalu vykazovala rychlost bobtnání 0,135 %/min. Korelační koeficient 0,99 vypovídá o vysoké závislosti. 46

45 22 Rychlost bobtnání v kyselině mravenčí Prom1 = 8,7744+0,1354*x; 0,95 Int.spol. 20 Objemové bobtnání (%) Prom2:Prom1: y = 8, ,1354*x; r = 0,9975; p = ; r 2 = 0, Čas (min) Obr.18 Rychlost objemového bobtnání v kyselině mravenčí 47

46 6. Diskuze 6.1 Hustota dubu letního (Quercus robur L.) Průměrná hodnota hustoty dubu letního 648,83 kg/m 3 se blíží hodnotě uváděné v literatuře Tab kg/m 3 (Wagenführ 2000). Od hodnoty 680 kg/m 3 podle Šlezingerové, Gandelové (1999) se hodnota liší zhruba o 30 kg/m Bobtnání a nasáklivost dubu ve vodě Při měření maximálního objemového bobtnání α V ve vodě byla zjištěna průměrná hodnota 15,07 %, maximální bobtnání v tangenciálním směru α T 9,03 %, což odpovídá hodnotě v rozmezí 7,9 až 10 % uváděné Wagenführem (2000) v Tab.2. a blíží se hodnotě uváděné Lexou (1952) 10,1 % po 50 dnech máčení ve vodě. Průměrné hodnoty bobtnání v radiálním směru α R 5,05 %, a bobtnání v podélném směru α L 0,47 % jsou mírně vyšší než uvádí tentýž autor. Diferenciální bobtnání α dif vykazovalo průměrnou hodnotu 1,83 %. Tato hodnota odpovídá rozmezím, které převzal Lexa (1952), a to: α dif 2,26 až 1,41 od Mathewsona a α dif 1,92 až 1,66 od Möratha pro dřeva s hustotou v rozmezí 0,5 až 0,7 g/cm 3, kam dřevo dubu letního podle zjištěné hustoty spadá. MNBS byla vypočtena 23,42 %, zapadá tedy do rozmezí, které stanovil Trendelenburg a Meyer-Weneglin 23 až 25 % v Tab. 5. Tato mírně nižší hodnota by mohla vysvětlovat hodnoty koeficientů bobtnání K αv 0,64 ; K αt 0,39; K αr 0,22, které jsou mírně vyšší než koeficienty uváděné Ugolevem (1975) v Tab.3. Nasáklivost byla u vzorků uložených ve vodě 106,38 %. To příliš neodpovídá maximální vlhkosti 119 % podle Ugoleva (1975). Na Obr.19 je vidět patrná závislost objemového bobtnání ve vodě na hustotě dřeva dubu v suchém stavu. 48

47 760 Závislost objemového bobtnání ve vodě na hustotě dřeva Prom1 = 377, ,6753*x; 0,95 Int.spol Hustota kg/m Prom2:Prom1: y = 377, ,6753*x; r = 0,5797; p = 0,00000; r 2 = 0, α V [%] Obr.19 Závislost objemového bobtnání ve vodě na hustotě dubu v absolutně suchém stavu 6.3 Bobtnání a nasáklivost dubu v benzinu) Při experimentálním zjišťování bobtnání dřeva dubu v benzinu byly naměřené hodnoty tak nízké, že byly menší než chyba měření. To bylo důvodem proč hodnoty celkového bobtnání vycházely záporné. Hodnoty koeficientů bobtnání v anatomických směrech byly vypočteny K αt 0,04; K αr 0,13 a koeficient objemového bobtnání K αv 0,86. Nasáklivost byla u vzorků uložených v benzinu velmi nízká, pouze 41,92 %. Lexa (1952) uvádí, že bobtnání dřeva v různých kapalinách je tím větší, čím větší jsou dielektrické konstanty kapalin. Pro benzin uvádí velmi nízkou hodnotu dielektrické konstanty 1,8 (voda 81). Tentýž autor tvrdí, že benzin je jednou z kapalin, které nevstupují do submikroskopické struktury dřeva a nezpůsobují tedy bobtnání. S ohledem na získané výsledky se lze domnívat, že tato teorie, by mohla být správná. Potvrzovala by to zjištěná nízká nasáklivost, která by se dala vysvětlit tím, že benzin skutečně pronikl pouze do makrokapilár. Je nutno také uvést, že 49

48 měření by mohlo být zatíženo chybami měření způsobenými vysokým odpařováním benzinu z volné hladiny kapaliny i vzorků z benzinu vytažených. Při měření bylo nutno postupovat co nejrychleji a zároveň velmi opatrně. Na Obr.20 je vidět, že u benzinu se závislost objemového bobtnání na hustotě dubu v suchém stavu jednoznačně neprokázala. 760 Závislost objemového bobtnání v benzinu na hustotě dřeva Prom1 = 661,3792+8,5021*x; 0,95 Int.spol Hustota kg/m Prom2:Prom1: y = 661, ,5021*x; r = 0,0785; p = 0,5510; r 2 = 0, ,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 α V [%] Obr.20 Závislost objemového bobtnání v benzinu na hustotě dubu v absolutně suchém stavu 6.4 Bobtnání a nasáklivost dubu v kyselině mravenčí Průměrná hodnota objemového bobtnání α V v kyselině mravenčí byla zjištěna 22,59 %. Hodnoty bobtnání v anatomických směrech byly α T 15,7 % v tangenciálním, α R 5,72 % v radiálním a v podélném α L 0,42 %. Výpočtem byla zjištěna hodnota diferenciálního bobtnání α dif 2,75 %. Mantanis a kol. (1995) kromě jiných organických kapalin sledoval maximální tangenciální bobtnání v kyselině mravenčí a zjistil u smrku sitka (Picea sitchensis Bong.) 11,4 % a javoru cukrového 50

49 (Acer saccharum Marsh.) 19,3 %. Zjištěná hodnota u dubu se tedy blíží spíše k javoru cukrovému. MNBS byla pro měření maximálního bobtnání v kyselině mravenčí vypočtena - 42,83 %, což je téměř dvojnásobek hodnoty vypočtené pro vodu. Vypočtené hodnoty koeficientů bobtnání v jednotlivých anatomických směrech byly pro bobtnání v kyselině mravenčí vypočteny K αt 0,53, K αr 0,13 a koeficient objemového bobtnání K αv 0,53. Nasáklivost byla u vzorků uložených v kyselině mravenčí nejvyšší ze všech sledovaných kapalin 132,5 %. Bobtnání dřeva dubu v kyselině mravenčí bylo provázeno vyluhováním extraktivních látek, pravděpodobně tříslovin. Vyluhování se projevilo již po několika dnech výrazným zabarvením jinak čiré kyseliny v exsikátoru dohněda. Již v průběhu měření kontrolních vzorků bylo možno na vzorcích v kyselině vizuálně pozorovat velké rozměrové změny. Následně se objevili značné deformace na příčném řezu, resp. trhliny orientované radiálně, podél dřeňových paprsků (Obr.21.) Během bobtnání tedy muselo docházet k velkým vnitřním napětím uvnitř vzorků, která vyústila v kolaps dřeva. Obr.22 znázorňuje velkou závislost objemového bobtnání v kyselině mravenčí na hustotě dubu v suchém stavu. Obr.21 Deformace a radiální trhliny na vzorcích po působení kyseliny mravenčí 51