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

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LESNICKÁ A DŘEVAŘSKÁ FAKULTA ÚSTAV NAUKY O DŘEVĚ PLASTIFIKACE A TVAROVÁNÍ DŘEVĚNÝCH DÍLCŮ DIPLOMOVÁ PRÁCE SOUČÁSTÍ PRÁCE JE SAMOSTATNÁ PŘÍLOHA 2011/2012 MARTIN BRABEC

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

3 PODĚKOVÁNÍ Můj první a největší dík patří panu Ing. Alešovi Dejmalovi Ph.D. především za metodické vedení a cenné připomínky zejména v prvních fázích tvorby této práce a za nemalou trpělivost, kterou při spolupráci se mnou projevil. Dále bych rád touto cestou vyjádřil poděkování panu Ing. Janu Tippnerovi Ph.D. za mnohdy dlouhé konzultace spojené s teorií konvekčního a dielektrického ohřevu a formulací experimentálních postupů, které pro mě byly velkým přínosem. Děkuji také za praktické rady a přípravu potřebných technických zařízení pro experimenty. Ve svém díkůvzdání nemohu opomenout také mého kamaráda Bc. Jana Schindlera, především za nikdy nekončící konzultace k mé práci prakticky kdykoliv to bylo třeba a praktickou pomoc při experimentech. Zde jako poslední, ale rozhodně ne svým významem uvádím poděkování mé rodině za finanční a morální podporu ve studiu a vytváření vhodných podmínek pro studium.

4 Abstrakt Autor: Martin Brabec Název práce: Plastifikace a tvarování dřevěných dílců Title: Plasticizing and shaping wooden components Tato diplomová práce zpracovává problematiku plastifikace a tvarování dřevěných dílců z pohledu v současnosti nejperspektivnějších způsobů plastifikace, kterými jsou paření a mikrovlnný ohřev. Na teoretické charakteristiky obou plastifikačních postupů navazuje i experimentální ověření časové náročnosti a reálně dosažitelné míry plasticity dřevěných dílců pomocí analýzy vybraných kritérií, kterými jsou mez pevnosti (MOR), modul pružnosti (MOE), maximální deformace a množství energie absorbované zkušebními vzorky. Na základě experimentálně ověřovaných skutečností lze uvést, že oběma analyzovanými metodami plastifikace lze dosáhnout téměř shodného plastifikačního účinku, avšak v případě mikrovlnného ohřevu za významně kratší dobu. Klíčová slova: plastifikace dřeva, tvarování dřeva, deformace, paření, mikrovlnná plastifikace, konvekční ohřev, dielektrický ohřev, mikrovlnný ohřev Abstract This thesis processes problems plastication and shaping wooden components from look presently the most promising ways plastication that the are steaming plus microwave heating. On theoretic characteristics of both plasticizing progress tie together and experimental check time heftiness plus real attainable measurement plasticity wooden components by the help of analysis s choice criteria that the are strength (MOR), modulus of elasticity (MOE), maximum deformation and energy quantum absorbed specimen. On the grounds experimentally check reality it is possible bring in, that the by both analyzed methods plastication it is possible achieve almost coincident plastification effect, however in case microwave heating behind notably shorter time. Keywords: plastificizing of wood, shaping wood, deformation, steaming, microwave plasticizing, convective heating, dielectric heating, microwave heating

5 Obsah 1. Úvod Cíl práce Literární přehled Technologický proces plastifikace a tvarování dřevěných dílců Základní charakteristika masivního dřeva Nehomogennost dřeva Anizotropie dřeva Hygroskopicita dřeva Materiálové vlastnosti podstatné ve vztahu k plastifikaci a tvarování Výběr vhodných druhů dřev pro tvarování Obecná charakteristika vhodných druhů dřev Konkrétní druhy dřev Domácí dřeviny Tropické dřeviny Příprava masivního dřeva pro tvarování Plastifikace Cíl plastifikace Snížení pravděpodobnosti vzniku dislokace ve struktuře tvarovaného materiálu Zvětšení podílu plastické deformace z celkového přetvoření tělesa Zmenšení vnější síly potřebné na změnu tvaru tělesa Představa o struktuře dřeva v rámci teorie plastifikace Dřevo jako vláknový kompozit Dřevo jako lignin-sacharidová síť Mechanismus plastifikace dřeva v obecné rovině (teorie plastifikace) Způsoby plastifikace dřeva Mechanismus hydrotermické plastifikace dřeva Řídnutí sítě původních vodíkových (příčných) vazeb Řídnutí sítě původních kovalentních (esterových) vazeb Přechod ligninu do viskoelastického až plastického stavu Plastifikace konvekčním ohřevem Mechanismus vzniku plastifikační energie (tepla) Šíření (distribuce) plastifikační energie (tepla) dřevem Materiálové konstanty dřeva ovlivňující distribuci plastifikační energie Základní vztahy pro distribuci plastifikační energie ve dřevě Charakteristiky paření v rámci plastifikace konvekčním ohřevem Základní definice Plastifikační média Vzájemná interakce plastifikačních médií v průběhu plastifikace Plastifikační zařízení Parametry paření v rámci plastifikace konvekčním ohřevem Vlhkost dřevěných dílců Teplota vzduchu (páry) Teplota dřevěných dílců Tlak páry Doba plastifikace Doba pro zpracování plastifikovaných dílců... 39

6 Souhrn Plastifikace dielektrickým ohřevem Mechanismus vzniku plastifikační energie (tepla) Polární charakter molekul vody a některých částic dřeva Proces polarizace ve struktuře dřeva Přeměna části EMG energie na plastifikační energii vlivem polarizace Dielektrické vlastnosti dřeva ve vztahu k dielektrickému ohřevu Šíření (distribuce) plastifikační energie (tepla) dřevem Identifikace rozložení teploty podle rozložení vstupní vlhkosti Identifikace rozložení teploty podle hloubky vniku EMG energie Identifikace rozložení teploty podle rovnoměrnosti působení EMG energie na strukturu dřeva Reálné rozložení plastifikační energie (tepla) ve vnitřní struktuře plastifikovaných dílců Charakteristiky MW ohřevu v rámci plastifikace dielektrickým ohřevem Základní definice Plastifikační média Vzájemná interakce plastifikačních médií v průběhu plastifikace Plastifikační zařízení Parametry MW ohřevu v rámci plastifikace dielektrickým ohřevem Vlhkost dřevěných dílců Teplota dřevěných dílců Elektrické veličiny Doba plastifikace Doba pro zpracování plastifikovaných dílců Souhrn Základní způsoby beztřískového tvarování dřevěných dílců Ohýbání Teorie ohybu Základní výpočtové vztahy pro ohýbání hranolků Metody ohýbání Pomůcky k ohýbání Lisování Teorie lisování Zařízení a pomůcky pro lisování dřeva Kombinace lisování a ohýbání Stabilizace tvaru Mechanismus stabilizace tvaru po hydrotermické plastifikaci Zpětné zhušťování sítě vodíkových (příčných) vazeb Zpětné zhušťování sítě kovalentních (esterových) vazeb Zpětný přechod ligninu do pevného stavu Řazení dílčích stabilizačních procesů Podmínky stabilizace po plastifikaci hydrotermickým způsobem Sušení dřevěných tvarovaných dílců Parametry sušícího prostředí Ochlazování dřevěných tvarovaných dílců Klimatizace tvarovaných dílců Materiál a metodika

7 4.1 Materiál pro výrobu zkušebních vzorků Východiska pro výběr druhu dřeva Reálně použitý materiál Definice zkušebních vzorků Základní parametry zkušebních vzorků Označení a počty zkušebních vzorků Označení výběrových souborů (skupin) a jejich četnost Technická zařízení pro výrobu a zkoušení zkušebních vzorků Rámcový postup experimentu Výroba zkušebních vzorků Pracovní postup při výrobě zkušebních vzorků Měření výchozích parametrů (hustoty) zkušebních vzorků Pracovní postup při měření výchozích parametrů zkušebních vzorků Parametry vysoušení zkušebních vzorků Nastavení vstupních parametrů (vlhkosti) zkušebních vzorků Pracovní postup při nastavení vstupních parametrů vzorků pro plastifikaci Parametry máčení zkušebních vzorků Pracovní postup při nastavení vstupních parametrů referenčních vzorků Parametry klimatizace zkušebních vzorků Experimentální stanovení potřebné doby plastifikace Pracovní postup při experimentálním stanovení doby plastifikace pařením Parametry plastifikace zkušebních vzorků pařením Pracovní postup při experimentálním stanovení doby plastifikace MW ohřevem Parametry plastifikace zkušebních vzorků MW ohřevem Plastifikace zkušebních vzorků Pracovní postup při plastifikaci zkušebních vzorků Parametry plastifikace zkušebních vzorků Měření kritérií plasticity zkušebních vzorků Pracovní postup při měření kritérií plasticity zkušebních vzorků Statistické vyhodnocení experimentálních dat Zpracování dat v rámci jednoho výběrového souboru (P, R, M, EP, EM) Zpracování dat více souborů (R P, R M, P M, EP EM) Stanovení vlivu hustoty na vybraná kritéria plasticity dřevěných dílců Výsledky Měření výchozích parametrů zkušebních vzorků Vstupní vlhkost zkušebních vzorků Hustota zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu Základní popisná statistika Ověření shodnosti středních hodnot hustoty zkušebních vzorků při 0 % vlhkosti Nastavení vstupních parametrů zkušebních vzorků Vstupní vlhkost zkušebních vzorků po úpravě

8 Průběh procesu máčení a klimatizace křivky nasáklivosti a navlhavosti Základní popisná statistika Ověření shodnosti středních hodnot vstupní vlhkosti zkušebních vzorků po úpravě Stanovení času plastifikace zkušebních vzorků Teplota Vlhkost Plastifikace zkušebních vzorků Vlhkost zkušebních vzorků po plastifikaci Základní popisná statistika Ověření shodnosti středních hodnot vlhkosti zkušebních vzorků po plastifikaci Hustota zkušebních vzorků po plastifikaci a klimatizaci Základní popisná statistika Měření a srovnání kritérií plasticity zkušebních vzorků Mez pevnosti (MOR) zkušebních vzorků ve statickém ohybu Základní popisná statistika Ověření shodnosti středních hodnot meze pevnosti (MOR) zkušebních vzorků Tuhost (MOE) zkušebních vzorků Základní popisná statistika Ověření shodnosti středních hodnot tuhosti (MOE) zkušebních vzorků Maximální deformace (průhyb) zkušebních vzorků Základní popisná statistika Ověření shodnosti středních hodnot maximální deformace (průhybu) zkušebních vzorků Absorbovaná energie zkušebními vzorky Základní popisná statistika Ověření shodnosti středních hodnot energie absorbované zkušebními vzorky při statickém ohybu Souhrnné vyhodnocení experimentálních dat Vliv hustoty na vybraná kritéria plasticity dřevěných dílců Vliv hustoty na mez pevnosti ve statickém ohybu Hustota v absolutně suchém stavu Mez pevnosti ve statickém ohybu Hustota po plastifikaci Mez pevnosti ve statickém ohybu Vliv hustoty na maximální deformaci (průhyb) Hustota v absolutně suchém stavu Maximální deformace (průhyb) ve statickém ohybu Hustota po plastifikaci Maximální deformace (průhyb) ve statickém ohybu Plasticita dílců v reálném vyobrazení Diskuse Výchozí parametry zkušebních vzorků podstatné pro plastifikaci Vliv plastifikace zkušebních vzorků na jejich výchozí parametry Časová náročnost paření a MW ohřevu Srovnání křivek ohřevu pro paření a MW ohřev Plasticita pařených a MW ohřívaných zkušebních vzorků

9 6.6 Vliv hustoty na vybraná kritéria plasticity dřevěných dílců Souhrnné vyhodnocení paření a MW ohřevu Závěr Summary (souhrn) Přehled použité literatury

10 1. Úvod Dřevo, jako přírodní obnovitelný materiál je zpracováváno a využíváno již od samého počátku lidských dějin. Pro řadu svých vynikajících vlastností, jako jsou výhodný poměr mezi pevností a hmotností, snadné obrábění, přírodní a neopakovatelný vzhled se zajímavou texturou, se používá jako základní nebo pomocný materiál v mnoha odvětvích lidské činnosti. V osobním životě člověka představuje dřevo materiál, který je možné využít nejen při stavbě obydlí (dřevostavba, dřevěná konstrukce střechy), ale také při jeho zařizování (nábytek, nářadí, dekorace). Ve všech zmíněných oblastech se dřevo využívá v různých podobách, z nichž bude dále zkoumáno a analyzováno jako materiál rostlý, v odborné terminologii nazývaný jako masivní. Za jeden ze základních technologických procesů používaných při zpracování masivního dřeva lze považovat jeho tvarování, ať už třískovým nebo beztřískovým způsobem. Z hlediska zaměření práce se dále úhel zájmu zúží pouze na beztřískové způsoby tvarování. Tato skutečnost determinuje oblast pozornosti zejména na vztah masivního dřeva k vlhkostním a teplotním polím, jakožto na hlavní atributy dočasné změny materiálových vlastností, tj. plastifikace dřeva, která je pro beztřískové způsoby tvarování masivního materiálu nutná. Otázka, jak plastifikaci masivního dřeva provést co nejúčelněji a nejefektivněji, provází beztřískovou technologii tvarování již od jejího vzniku. V minulosti bylo vynalezeno a odzkoušeno několik způsobů plastifikace dřeva s menším či větším úspěchem. V současné době se s rozvojem vědy a techniky v této oblasti prosazují snahy o optimalizaci praxí osvědčených, ale také pouze vědecky a experimentálně ověřených způsobů plastifikace dřeva. Mezi tyto zdokonalované způsoby plastifikace lze řadit zejména plastifikaci pařením a mikrovlnnou technologií, která je v praxi spíše ve fázi testování a optimalizace průmyslových zařízení. Tyto technologie plastifikace jsou založeny na zcela principiálně odlišných způsobech ohřevu masivního dřeva. Tato práce tematicky navazuje na výsledky předchozí práce autora, která se zabývala teoretickou analýzou a komplexním vyhodnocením využitelnosti jednotlivých způsobů plastifikace masivního dřeva ve vztahu k výrobě ohýbaného nábytku. Výsledky a závěry této práce poukázaly jako na perspektivní způsoby plastifikace dřeva právě na výše zmíněné technologie, tj. na paření a mikrovlnnou plastifikaci (Brabec, 2010). Výsledkem této práce by mělo být experimentální potvrzení či vyloučení vybraných aspektů vedoucích k těmto závěrům. 10

11 2. Cíl práce Východiskem pro stanovení cílů této diplomové práce je návaznost na předchozí práci autora, ve které byla problematika plastifikace a tvarování dřevěných dílců řešena na teoretické úrovni z pohledu plastifikace a ohýbání hranolků v rámci výroby ohýbaného nábytku. Cílem této práce je experimentální ověření vybraných aspektů, vedoucích k závěrům v předchozí práci u klasického způsobu plastifikace (paření) a mikrovlnné plastifikace jako nejperspektivnějších způsobů plastifikace masivního dřeva, konkrétně se jedná o: 1) Experimentální ověření časové náročnosti plastifikačního procesu analyzovanými způsoby plastifikace dřeva (paření a mikrovlnná plastifikace) 2) Experimentální ověření účinku plastifikace (plasticity dřevěných dílců) při plastifikaci analyzovanými způsoby s ohledem na minimální čas plastifikace 3) Identifikace a kvantifikace korelačních vztahů mezi vybranými materiálovými vlastnostmi a vybranými ovlivňujícími faktory, tzn. stanovení míry vlivu vybraných faktorů na plasticitu dřeva 4) Zhodnocení analyzovaných způsobů plastifikace masivního dřeva z hlediska experimentálně ověřovaných skutečností Uvedené cíle diplomové práce je možné shrnout jako časovou optimalizaci plastifikačního procesu masivního dřeva při použití konvekčního a mikrovlnného ohřevu. 11

12 3. Literární přehled 3.1 Technologický proces plastifikace a tvarování dřevěných dílců Technologický proces tvarování dřevěných dílců jako takový je jedním ze základních technologických procesů používaných při zpracování masivního dřeva. Z hlediska konkrétního oboru studia autora se bude práce pohybovat v horizontu výroby dřevěného nábytku jako jedné z klíčových oblastí zpracování masivního dřeva. Podle Trávníka (2007) a Nemce, Šulána a Zemiara (1986) probíhá tvarování dřevěných dílců při výrobě dřevěného nábytku v rámci prvního (Základní tvarování) a druhého (Tvarování a konstrukční opracování) technologického stupně. Jak je již předesláno v úvodu, tato práce se zabývá pouze beztřískovými způsoby tvarování dřevěných dílců, které jako technologické procesy spadají podle Trávníka (2007) spíše do druhého technologického stupně výroby dřevěného nábytku. Mezi tyto procesy lze řadit ohýbání, lisování, lamelování a z určitého úhlu pohledu také tvarování laserem, kterému však nepředchází plastifikace dřeva, proto s ním nebude dále uvažováno. Stejně tak lamelování nebude objektem dalšího zájmu, protože se jedná o způsob tvarování spíše tenkých dřevěných materiálů (dýh), při kterém se v plné míře neuplatní analyzovaná problematika, druhým důvodem je také omezený rozsah práce. Oba zmíněné technologické procesy tvarování mají podobný základní technologický řetězec, který zahrnuje výběr a přípravu materiálu, plastifikaci, vlastní operaci tvarování, stabilizaci nově vzniklého tvaru a klimatizaci tvarovaných dřevěných dílců. Dalšími společnými aspekty všech technologických procesů tvarování dřevěných dílců je podoba vstupujícího a vystupujícího materiálu. V případě vstupu jsou to dřevěné přířezy s již definovaným základním tvarem, na výstupu se jedná většinou taktéž o přířezy, které však pro transformaci v dílce vyžadují již pouze konstrukční opracování. Výše zmíněný základní technologický řetězec je východiskem pro členění dalších teoretických poznatků v rámci literárního přehledu. Podrobnější rozbor analyzovaných způsobů plastifikace masivního dřeva bude řazen až za touto částí. Výběr a příprava materiálu Plastifikace Vlastní tvarování Stabilizace Klimatizace Obrázek 1: Schéma základního technologického řetězce při technologickém procesu tvarování dřevěných masivních dílců podle Trávníka (2007) 12

13 3.2 Základní charakteristika masivního dřeva Jako dřevo (xylém) označujeme organickou hmotu rostlinného původu, jejíž převážná část buněk má lignifikované buněčné stěny (BS) (Gandělová, Horáček a Šlezingerová, 2008). Jako u materiálu postupně přirůstajícího se při růstu dřeva uplatňují určité výstavbové principy. Základním a nejdůležitějším výstavbovým principem u masivního dřeva je vláknitá struktura, která je patrná na všech úrovních pozorování. Ze všech tří biopolymerů dřeva se nejvíce na vláknité struktuře podílí celulóza, která vytváří lineární makromolekuly. Tyto jsou dále seskupovány do vyšších celků s pravidelnou nebo náhodnou strukturou, vznikají tak krystalické, resp. amorfní části celulózy. Postupnou skladbou vláknitých elementů vzniká základní celulózové vlákno, tzv. fibrila, která je základní stavební jednotkou BS. Jednotlivé dřevní buňky podélného tvaru s mnohoúhelníkovým průřezem se seskupují na délku do dlouhých elementů opět vláknitého charakteru až na úroveň viditelných dřevních vláken. I přes velkou variabilitu vlastností lze u dřeva pozorovat několik základních aspektů, které jsou platné pro všechny druhy tohoto materiálu, jedná se o nehomogennost, anizotropii a hygroskopicitu Nehomogennost dřeva Nehomogenita dřeva se projevuje na všech úrovních jeho stavby, tj. makroskopické, mikroskopické, submikroskopické i chemické. Na makroskopické úrovni se nehomogenita projevuje především ročními přírůstky (letokruhy). Tato nehomogenita je dána periodicky se měnícími klimatickými podmínkami (střídání ročních období, období sucha a dešťů, apod.). U některých druhů dřev lze také odlišit vrstvy přirostlé v období rané a pozdní vegetace (jarní a letní dřevo v rámci letokruhu). Dřeva rostoucí převážně v časově neměnných podmínkách se vyznačují téměř homogenní makroskopickou strukturou. Dalším faktorem podtrhujícím nehomogenitu některých druhů dřeva projevující se na makroskopické úrovni je přítomnost jádra a běli, příp. vyzrálého dřeva. Na mikroskopické úrovni lze identifikovat různé základní stavební elementy, z kterých se dřevo skládá (různé typy buněk). Jednotlivé typy buněk mají svou specifickou funkci (vodivá, mechanická, zásobní), vlastnosti, stavbu a poměrové zastoupení. Přítomnost různých typů buněk ve dřevě je dána jejich specializací pro zabezpečení jednotlivých procesů v rámci živého organismu stromu. 13

14 Na submikroskopické úrovni stavby dřeva lze nehomogenitu spatřovat ve vrstevnaté stavbě BS (vrstvy S1, S2, S3 + u některých typů dřeva želatinová vrstva G jako nejvnitřnější vrstva BS). Jednotlivé vrstvy se liší obsahem základních chemických komponent dřeva, přičemž u celulózy je také velmi důležitá orientace vláknitých stavebních elementů vůči podélné ose buňky. Jelikož je tato orientace v jednotlivých vrstvách BS různá, přispívá i tento aspekt k nehomogennosti na submikroskopické úrovni. Jelikož je dřevo tvořeno třemi základními biopolymery, a to celulózou, hemicelulózami a ligninem, lze i chemickou skladbu dřeva považovat za nehomogenní. K základním složkám chemické struktury přibývají ještě doprovodné látky. V kontextu uvedených skutečností se rostlé (nativní) dřevo označuje jako vláknový kompozit, kde biopolymer ligninu má funkci houževnaté termoplastické matrice, kterou armují tuhá celulózová vlákna. Tato představa je jedna ze základních axiomů, na kterých se staví teorie plastifikace (viz níže). Aspektem nehomogennosti dřeva přesahujícím všechny úrovně pozorování je skutečnost, že základní tvar zdřevnatělých buněk je možné zjednodušit do tvaru dutého válce. BS jsou tedy tvořeny dřevní substancí a za běžných podmínek také vlhkostí (vodou), lumeny mohou být vyplněny buď vzduchem, vodou nebo doprovodnými látkami. V jednotce objemu dřeva se tedy nachází kromě dřevní substance i jiné komponenty Anizotropie dřeva Anizotropii dřeva je možné chápat jako rozdílnost vlastností dřeva ve vztahu k anatomickému směru pozorování a měření. Jinými slovy pokud se dřevem proloží jakákoliv řezná rovina, vzniknou vždy dva celky s rozdílnými vlastnostmi. Při měření vlastností dřeva se z praktického hlediska uplatňují pouze tři anatomické směry, a to axiální (ve směru podélné osy kmene), radiální (po poloměru kmene) a tangenciální (ve směru tečny kmene). Odpověď na otázku proč se hodnoty fyzikálních a mechanických vlastností dřeva liší v různých směrech lze najít v již zmíněném základním výstavbovém principu, v důsledku kterého je dřevo vláknitým materiálem na všech úrovních své struktury s orientací velké části vláken v jednom směru. Orientace dřevních vláken ve dřevě je dána jejich funkcí v rostoucím stromu. Jelikož dřevo potřebuje dopravovat živiny z kořenových částí do koruny a naopak látky získané 14

15 fotosyntézou v listech a jehlicích do ostatních částí stromu, je převážná část buněk orientována svými transportními cestami (lumeny) v podélném směru, tj. ve směru podélné osy kmene. Kromě vodivých cest musí buňky zabezpečit také mechanickou stabilitu stromu při působení vlastní váhy, ale i vnějších sil (např. vítr, sníh, apod.). To vyžaduje podélnou orientaci celulózových vláken jako přenášečů napětí v BS. Ve směru celulózových vláken jsou totiž stavební jednotky makromolekul spojovány do řetězce podstatně silnějšími vazebními silami (kovalentní vazby), než je tomu v případě příčných vazeb mezi lineárními makromolekulami celulózy (vodíkové můstky). Poměr mezi vazebnými silami těchto primárních a sekundárních vazeb, tj. jejich pevností je přibližně 10:1. Tomu taktéž odpovídá poměr mezi pevností dřeva při různých způsobech namáhání v podélném a příčném směru (Horáček, 2008). Při zjišťování fyzikálních a mechanických vlastností se však ještě musí vzít v potaz vlastní geometrie zkušebního tělesa. Při zohlednění anizotropie (anatomických směrů) a geometrie zkušebních těles mohou nastat dva případy. Pokud jsou anatomické směry shodné s geometrickými osami, považuje se těleso za speciálně ortogonálně anizotropní, zkráceně speciálně ortotropní, v případě nesouladu těchto aspektů se hovoří o tělese obecně ortogonálně anizotropním, zkráceně obecně ortotropním Hygroskopicita dřeva Hygroskopicitu dřeva lze vyjádřit jako jeho schopnost vázat do své vnitřní struktury vlhkost (vodu) z okolního prostředí, a to ve skupenství plynném i kapalném. Dřevo je tedy materiálem navlhavým a nasáklivým. Tato vlastnost dřeva plyne z chemického složení jeho základních biopolymerů (celulózy a hemicelulóz). Ty jsou chemicky konstituovány tak, že mají ve své struktuře místa vhodná pro navázání molekul vody, tj. funkční skupiny polárního charakteru, které působí na polární molekuly vody jako potenciálové jámy. To znamená, že pro molekulu vody, která se nachází v blízkosti tohoto místa, je z energetického hlediska úspornější se k němu navázat než se chovat jako samostatná jednotka čili udržení nového stavu vyžaduje nižší energetický potenciál. S dalším navazováním molekul vody na stejné místo se tato potenciálová jáma zmenšuje. Navazování molekul vody z okolního prostředí do struktury dřeva se tak stává čím dál méně výhodným, až dojde k vyrovnání energetických nároků na udržení současného stavu (samostatnost) a nového stavu (navázannost) molekuly vody. 15

16 Z fyzikálního pohledu lze tuto situaci definovat jako okamžik, kdy dojde k vyrovnání parciálního tlaku vodních par v povrchových vrstvách dřeva a v okolním vzduchu, tím klesne hybný gradient na nulu. Jakmile se parciální tlak vodních par ve vzduchu změní (poklesne nebo se zvýší), hybný gradient nabude nenulové hodnoty a ve dřevě nastane znovu proces navazování (adsorpce), resp. vyvazování (desorpce) molekul vody ze struktury dřeva. Změnu parciálního tlaku vodních par v ovzduší může mimo teplotu vyvolat také změna obsahu vlhkosti ve vzduchu. Z toho lze vydedukovat, že dřevo jako hygroskopický materiál je schopno vždy docílit stavu vlhkostní rovnováhy (SVR), tzn., že dokáže svou vlhkost přizpůsobit vlhkosti okolního prostředí. Vlhkost dřeva, která odpovídá SVR, se v odborné terminologii nazývá rovnovážná vlhkost dřeva (RVD). O významu RVD pro podmínky plastifikace dřeva před tvarováním bude pojednáno níže Materiálové vlastnosti podstatné ve vztahu k plastifikaci a tvarování Jelikož se jedná o materiál rostlý nikoliv uměle tvořený nelze jeho vlastnosti exaktně předpovědět, ale s určitou mírou přesnosti (interval spolehlivosti) pouze předpokládat. Poměrně velká variabilita vlastností masivního dřeva vyplývá z velkého počtu faktorů, které mohou ať přímo či nepřímo tyto vlastnosti ovlivňovat. Z pohledu mechaniky je možné dřevo považovat za mechanické kontinuum, tzn. za materiál se spojitě se měnícími vlastnostmi. Z této skutečnosti vyplývá, že dřevo má v každém bodě svého objemu jiné vlastnosti, proto je třeba při matematicko-fyzikálním vyjadřování vlastností dřeva zavést předpoklad limitního přechodu přes nekonečně malý jednotkový objem (limitní bod v nekonečnu) a výslednou hodnotu vlastností uvádět jako integrální součet těchto objemových jednotek. Minimální objem však musí být tak velký, aby bylo možné ho považovat za spojitý, tzn., musí obsahovat dostatečný počet atomů. Dalším problémem při prezentaci materiálových vlastností dřeva je jeho anizotropní charakter. Všechny fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva je třeba zjišťovat na speciálně ortotropních tělesech, příp. obecně ortotropních a výsledné hodnoty transformovat. Z pohledu plastifikace a tvarování dřevěných dílců se za nejpodstatnější materiálové vlastnosti považují hustota dřeva, pevnost dřeva v tlaku, tahu, smyku, statickém ohybu a modul pružnosti (tuhost) dřeva. Podrobnější rozbor těchto vlastností ve vztahu k plastifikaci a tvarování dřevěných dílců je uveden v Samostatné příloze k této práci. 16

17 3.3 Výběr vhodných druhů dřev pro tvarování Obecná charakteristika vhodných druhů dřev Výběr vhodných druhů dřev pro tvarování se řídí základním cílem, tzn. vybrat dřevinu s odpovídající homogenitou struktury. Tento cíl je společný pro všechny technologie beztřískového tvarování masivního dřeva. Konkrétní úroveň homogenity, a tedy i úroveň výběrových požadavků je odvislá především od složitosti budoucího tvaru, technologie beztřískového tvarování a způsobu plastifikace. Definici zmíněného cíle při výběru vhodné dřeviny determinuje skutečnost, že při beztřískovém tvarování masivního dřeva se každá odchylka od rovnoměrné, homogenní struktury projeví v násobném měřítku oproti ostatním technologickým procesům uplatňovaných při zpracování masivního dřeva ve výrobě nábytku. Příkladem může být suk, který při tvarování masivního dřeva řezáním způsobí pouze zhoršení kvality povrchu (nehledě na to, že se tato vada dá opravit odvrtáním suku a vlepením zátky), kdežto např. při ohýbání může v lepším případě způsobit vybočení vláken v okolí suku a vytvořit záhyby (suk na konkávní straně ohybu), v horším případě může dojít k porušení vláken lomem a znehodnocení celého dílce (suk na konvexní straně ohybu). Mezi základní a nejdůležitější kritéria, podle kterých se hodnotí úroveň homogenity struktury (viz Tabulka č. 1), je možné řadit délku vláken, šířku letokruhů, podíl jarního a letního dřeva v rámci letokruhu, rozdílnost vlastností jarního a letního dřeva v rámci letokruhu, rozdílnost vlastností v rámci druhu dřeviny a výskyt přirozených (suky, růstové trhliny, nepravé jádro, svalovitost, závitky vláken, hniloba, plíseň, reakční dřevo) i technologických (odchylky pravoúhlosti, rovnoběžnosti ploch, odchylky rozměrů, nevyhovující kvalita povrchu, výsušné trhliny, zborcení příčné a podélné, atd.) vad dřeva. 17

18 Tabulka 1: Kritéria hodnocení homogenity masivního dřeva a jejich požadovaný stav podle Nemce, Šulána a Zemiara (1986) včetně jejich determinantů podle Gandělové a Šlezingerové (2005) KRITÉRIUM HODNOCENÍ HOMOGENITY OPTIMÁLNÍ (POŽADOVANÝ) STAV DETERMINANTY Délka vláken Maximální Druh dřeviny Šířka letokruhů Konstantní Podmínky růstu Podíl jarního a letního dřeva v rámci letokruhu Gradient vlastností jarního a letního dřeva Gradient vlastností v rámci druhu Výskyt přirozených a technologických vad Konstantní Minimální Minimální Minimální Druh dřeviny, věk stromu, podmínky růstu Druh dřeviny Druh dřeviny, podmínky růstu, lokace dřeva v kmeni Druh dřeva, způsob zpracování Z hlediska délky vláken platí, že s rostoucí délkou vláken se snižuje počet míst s vyšší pravděpodobností pro dislokaci struktury (porušení celistvosti dílce). Napojení vláken na délku je v poměru pevnosti přibližně desetkrát slabší než pevnost samotného vlákna. Příčina tkví ve způsobu napojování, které neprobíhá přímo, ale spíše překryvem vláken po délce, tzn., pomocí slabších vodíkových můstků. Konstantní šířka letokruhů zajistí rovnoměrné rozložení napětí při působení vnějších tvarovacích sil. Např. při ohýbání by v tlustších vrstvách (letokruzích) vznikalo vyšší napětí než v tenčích vrstvách, které mohou snadněji změnit polohu vůči sobě, a tím napětí snížit dřív než dojde k porušení celistvosti materiálu. Optimální podíl jarního a letního dřeva v rámci letokruhu souvisí s gradientem vlastností jarního a letního dřeva. Pokud dřevina vykazuje velmi podobné vlastnosti v rámci jarního i letního dřeva, optimální podíl v letokruhu může být jen pomocným kritériem. Pokud však jsou rozdíly ve vlastnostech jarního a letního dřeva značné, sleduje se podíl jarního a letního dřeva velmi pozorně. V takovém případě se požaduje dominantní výskyt pouze jedné složky letokruhu, která je z hlediska tvarování výhodnější. Např. u kruhovitě pórovitých dřevin je pro svou homogenitu výhodnější co největší podíl letního dřeva v rámci letokruhu (Nemec, Šulán a Zemiar, 1986). 18

19 S ohledem na výše popsanou problematiku optimálního podílu jarního a letního dřeva v rámci letokruhu je nejvýhodnější, aby tento gradient měl minimální hodnotu. Minimální gradient zajistí také minimální ostrost přechodu letokruhů, čímž podstatně omezí možnost dislokace struktury v místě přechodu letokruhů. U lisování (zhušťování) dřeva je splněním tohoto požadavku zajištěno rovnoměrné stlačování obou vrstev letokruhu, a tím homogennější výsledná struktura (Trávník, 2008). Požadavek na minimální gradient vlastností v rámci druhu dřeviny plyne ze snahy dosahovat stále stejných výsledků při tvarování stejného druhu dřeva při jinak shodných podmínkách. Při velkém gradientu vlastností v rámci druhu dřeviny by bylo třeba pro splnění tohoto cíle neustále měnit ostatní podmínky technologického procesu tvarování, což by snižovalo produktivitu celého procesu, a tím prodražovalo výrobu tvarovaných dílců. Všechny výše zmíněné přirozené vady masivního dřeva představují odchylku od pravidelné struktury, což může být příčinou nestejnoměrného rozložení napětí v průběhu tvarovacích technologických operací. Stejný efekt mohou mít i vady technologické. Odchylky od pravidelné struktury zpravidla působí jako tzv. koncentrátory napětí. V místě takového zkoncentrování napětí je překročena mez pevnosti dřeva v daném způsobu namáhání a ve struktuře materiálu vznikne lokální dislokace čili porušení celistvosti materiálu (Horáček 2008). Porušení se dále šíří do celého objemu až dojde ke znehodnocení výrobku. Některé vady mohou ovlivnit dokonce i přímo úspěšnost plastifikace, příkladem může být reakční tahové dřevo u listnáčů, které je mimo jiné typické řidším rozmístěním cév a celkově jejich menšími rozměry. Taková oblast dřeva obsahuje tedy více libriformních vláken. Všechny BS stěny jednotlivých anatomických elementů navíc obsahují větší podíl celulózy, návazně menší podíl ligninu, jako nejpodstatnější chemické komponenty dřeva pro jeho plastifikaci a následnou stabilizaci tvaru. Tyto aspekty podstatně snižují úspěšnost plastifikace dílců s obsahem reakčního tahového dřeva. Nejpodrobněji jsou konkrétní výběrové požadavky na dřeviny v oblasti kritérií vad zpracovány pro technologii tvarování ohýbáním (viz Samostatná příloha k této práci), jakožto nejpoužívanější technologii beztřískového tvarování masivního dřeva. U tvarování lisováním se jedná spíše o všeobecné požadavky. 19

20 3.3.2 Konkrétní druhy dřev Domácí dřeviny S ohledem na výše zmíněná výběrová kritéria, lze za nejvhodnější domácí druhy dřeva pro plastifikaci a následné tvarování považovat dřeva tvrdých roztroušeně pórovitých listnatých dřevin, zejména buku, břízy a javoru. Se splněním podmínky maximálního podílu letního dřeva v rámci letokruhu se pro tvarování doporučují také listnatá dřeva s kruhovitě pórovitou stavbou, přednostně jasan, dále pak dub, jilm a akát. Nemec, Šulán a Zemiar (1986) připouští pro tvarování i dřevo třešně a ořechu, jakožto zástupce polokruhovitě pórovitých dřevin. Trávník (2007) i Nemec, Šulán a Zemiar (1986) se shodují, že jehličnatá dřeva jsou pro plastifikaci a tvarování nejméně vhodná, jejich použití vymezují spíše do oblasti tvarování lisováním kolmo na průběh vláken v radiálním směru čili zhušťování. Tento poznatek potvrzuje výsledky svých výzkumných prací i Merenda (2009). Další oblastí tvarování, ve které nacházejí jehličnaté dřeviny využití, jsou vnitřní vrstvy lamelových tvarovaných dílců. Z praktického hlediska je v průmyslové praxi nejvíce používanou dřevinou buk (Fagus Sp.), hlavními důvody jsou jeho primární dostupnost a praxí ověřená výhodnost Tropické dřeviny Vhodnost tropických dřevin pro plastifikaci a následné tvarování vyhodnocovalo více autorů, jejich výsledky částečně shrnul ve svém článku Eggert (2008). Zkoušky probíhaly pro tvarování ohýbáním po plastifikaci klasickou metodou (pařením), poloměry ohybů byly stanoveny na R = 200 mm a R = 300 mm. Nejlepší výsledky byly zjištěny u dřevin Acer Sp., Trichilla Sp., Hevea Brasiliensis a Alnus Jorullensis. Jako nejméně vhodnou vyhodnotil dřevinu Carpa Guianensis. Podle Eggerta (2008) jsou tropické dřeviny využitelné pro ohýbání podobně jako dřeviny středoevropské. Pokud dřeviny obstály ve zkouškách ohýbatelnosti, lze se domnívat, že je velmi pravděpodobné, že by vyhověly i zkouškám pro tvarování lisováním. 20

21 3.4 Příprava masivního dřeva pro tvarování Obecný postup spočívá ve zpracování kulatiny na polotovary prvního stupně (řezivo) a posléze na polotovary druhého stupně, výchozí pro plastifikaci a tvarování. Příprava materiálu pro ohýbání i lisování vykazuje shodné postupy, odlišnosti nastávají až v rozměrech polotovarů druhého stupně. Technologické procesy v rámci přípravy masivního dřeva pro tvarování jednotlivými technologiemi jsou podrobně zpracovány v Samostatné příloze k této práci. 3.5 Plastifikace Nemec, Šulán a Zemiar (1986), Eggert (1994) i Trávník (2008) stejně jako Dejmal (1995) se ve svých pracích zabývajících se mimo jiné technologickým procesem tvarování dřevěných dílců shodují v tom, že dřevo je třeba před jeho tvarováním plastifikovat. Jako určitou výjimku uvádí Trávník (2008) zhušťování dřeva lisováním kolmo na průběh vláken, kdy je možné zhušťovat listnaté dřevo za podmínky mírného stupně slisování bez předchozí plastifikace. Rostlé dřevo za běžných podmínek výroby a použití tvarovaných dílců, resp. dřevěných výrobků v interiéru (T = 20 ± 2 C, RVV = %, tomu odpovídající RVD = 8 ± 2 %) vykazuje poměrně velkou pevnost a tuhost (malou pružnost). K těmto atributům chování masivního neplastifikovaného dřeva přistupuje také malá poměrná deformace bez porušení struktury, která je u různých způsobů namáhání různá, ale zpravidla se pohybuje pouze v jednotkách procent, navíc převážnou část z celkové deformace tvoří deformace vratná. V kontextu uvedených skutečností je zřejmé, že všechny snahy o vytvoření kvalitního tvarovaného dílce se stálostí tvaru z neplastifikovaného masivního dřeva by byly neúspěšné Cíl plastifikace Cílem plastifikace je dočasná změna materiálových vlastností rostlého dřeva podstatných pro technologický proces tvarování, která umožní tvarování dřeva bez vzniku dislokací v jeho struktuře se stálým výsledkem a s minimálním úsilím. K naplnění tohoto cíle vedou tři dílčí aspekty plastifikace, a to snížení pravděpodobnosti vzniku dislokace ve struktuře tvarovaného materiálu, zvětšení podílu plastické 21

22 deformace z celkového přetvoření tělesa a zmenšení vnější síly potřebné na změnu tvaru tělesa. Z hlediska změny pevnostních charakteristik těmto aspektům plastifikace odpovídá maximální přechodné snížení tuhosti (modulu pružnosti) dřeva a meze úměrnosti při minimálním snížení meze pevnosti dřeva. Všechny uvedené aspekty spolu úzce souvisí a jsou zajištěny jedním plastifikačním pochodem ve struktuře materiálu. Z uvedeného důvodu je nelze považovat za samostatné procesy. Jejich dekompozice v této práci je nastíněna pouze z metodického důvodu v návaznosti na níže popisovaný mechanismus plastifikace. V některých případech se plastifikací dřeva vyvolají i trvalé změny materiálových vlastností (viz níže) Snížení pravděpodobnosti vzniku dislokace ve struktuře tvarovaného materiálu Vznik dislokace ve struktuře materiálu při tvarování je tím pravděpodobnější, čím je struktura exaktněji určena a stavební elementy vůči sobě přesněji vymezeny, extrémním příkladem takové struktury může být čistě krystalická struktura, která je velmi náchylná na jakékoliv změny uspořádání stavebních elementů, každý pohyb stavebních elementů vyvolá s velkou pravděpodobností porušení struktury materiálu se vznikem dislokace, tj. lokálního porušení celistvosti, které nakonec vede ke znehodnocení celého tělesa. Nativní dřevo lze zařadit v intervalu <flexibilní struktura; krystalická struktura> spíše blíž ke struktuře krystalické. Snížení pravděpodobnosti porušení celistvosti při tvarování lze vyjádřit zvýšením deformovatelnosti dřeva, což umožní vytvoření tvaru požadovaných parametrů. Pomocí plastifikace lze tohoto cíle dosáhnout prostřednictvím dvou dílčích faktorů. Jednak zvýšením průtažnosti a stlačitelnosti dřevních vláken a jednak možností posunu jednotlivých vrstev buněk ve struktuře dílce po sobě bez narušení celistvosti (vzniku trhlin a prasklin). Posun vrstev nastane, jakmile je u dřevních vláken dosaženo maximální deformace. U technologie tvarování ohýbáním se mohou tyto faktory v praxi doplnit mechanickým přípravkem pásnicí Zvětšení podílu plastické deformace z celkového přetvoření tělesa Celkové poměrné přetvoření tělesa (změna tvaru) se skládá ze tří složek, a to deformace vratné (elastické), vratné v čase (viskoelastické) a trvalé (plastické). Jejich podíl se s nárůstem celkového přetvoření tělesa (dílce) plynule mění. U rostlého dřeva se zpočátku zatěžování nejvíce uplatňuje deformace vratná (oblast platnosti Hookova 22

23 zákona). S rostoucí velikostí poměrného přetvoření se začíná na úkor vratné složky zvyšovat podíl deformace vratné v čase a deformace plastické. Nástup viskoelastické a hlavně plastické deformace potřebné pro tvarování však přichází u nativního dřeva až krátce před celkovým porušením tělesa, tzn., že jejich podíl na celkovém přetvoření tělesa je minimální. Většinový podíl vratné deformace neumožňuje dosáhnout tvarové stability dílce. Plastifikací lze počátek plastické deformace posunout do oblastí menšího zatížení, a tím zvětšit její podíl z celkového přetvoření, kterého lze dosáhnout před porušením celistvosti tělesa. Tím také dojde k zajištění tvarové stability vytvořeného ohybu Zmenšení vnější síly potřebné na změnu tvaru tělesa Pro maximální efektivitu technologického procesu tvarování masivního dřeva je žádoucí, aby použitá přetvářecí síla byla co nejmenší a deformace co největší. Důvodem může být úspora energie nezbytné na změnu tvaru, méně náročné konstrukce strojů a přípravků používaných při tvarování masivního dřeva a ulehčení náročnosti práce pracovníkům. I tohoto cíle lze plastifikací dosáhnout. Působením plastifikačních médií na dřevo dochází mimo jiné i ke snížení pevnostních charakteristik nativního dřeva Představa o struktuře dřeva v rámci teorie plastifikace Dřevo jako vláknový kompozit Z pohledu přítomnosti jednotlivých chemických komponent v BS (celulóza, hemicelulózy a lignin) lze dřevo definovat jako kompozitní materiál. Na základě funkce základních biopolymerů se dřevo nejvíce podobá vláknovému typu kompozitních materiálů s pevným uložením vláken. Funkci houževnaté matrice v tomto kompozitu zastává lignin jako látka termoplastického charakteru. V této matrici se nachází celulózová vlákna (viz kapitola Základní charakteristika dřeva) ve funkci armujících prvků kompozitu. Hemicelulózy bývají označovány jako spojující prvek mezi matricí a vlákny. Tento pohled na stavbu BS anatomických elementů se uplatňuje zejména při teorii stabilizace tvaru po plastifikaci a vlastním tvarování. 23

24 Dřevo jako lignin-sacharidová síť Pokud se na jednotlivé biopolymery v BS pohlíží z pohledu struktury, lze dřevo definovat právě jako lignin-sacharidovou (LS) síť. Síťovitá struktura LS komplexu byla potvrzena i s ohledem na obdobné chování jako u syntetických polymerů při zvyšování či snižování hustoty sítě. Sacharidický podíl dřeva tvoří celulóza a hemicelulózy. Typy makromolekul a nadmolekulová struktura jednotlivých chemických komponent BS je shrnuta v Tabulce č. 2. Tabulka 2: Typy makromolekul a nadmolekulová struktura jednotlivých chemických komponent BS podle Trebuly (1989) STAVEBNÍ KOMPONENTA Celulóza Hemicelulózy TYP MAKROMOLEKULY Lineární Lineární s krátkými bočními řetězci NADMOLEKULOVÁ STRUKTURA Krystalická Amorfní Náznak amorfní sítě Lignin Značně rozvětvené Amorfní 3D síť LS síť vzniká vzájemným provázáním nadmolekulových struktur jednotlivých komponent dřeva. Vznik LS sítě, ale i nadmolekulových struktur a makromolekul je podmíněn vznikem vazeb mezi základními atomy tvořícími dřevní hmotu. V celé LS síti lze rozlišit dva základní typy chemických vazeb, a to vazby primární (kovalentní více či méně polární) a sekundární (fyzikální mezimolekulární interakce). Primární kovalentní vazby lze identifikovat jako spojovací prvky jednak mezi základními stavebními jednotkami (monomery) ve struktuře vlastních makromolekul, a jednak mezi makromolekulami různých komponent dřeva (celulóza + hemicelulózy a hemicelulózy + lignin). Tyto vazby fungují na principu společně sdíleného elektronového páru mezi dvěma atomy, přičemž oba atomy účastnící se této vazby si přijmutím nebo odevzdáním elektronů ve prospěch společného elektronového páru srovnají počet elektronů do stabilního stavu. Na základě této skutečnosti se vyznačují poměrně velkou vazebnou energií, která se při vzniku této vazby uvolňuje a naopak za účelem rozštěpení vazby musí být dodána. Ve struktuře dřeva jsou tyto vazby z typologického hlediska reprezentovány převážně esterovým typem vazeb 24

25 (COOH + OH). Veškeré vazby v LS komplexu tohoto charakteru lze označit jako síť kovalentních (esterových) vazeb. Sekundární vazby se v LS síti vyskytují jako spojovací prvky umožňující vznik nadmolekulových struktur z makromolekul u jednotlivých komponent dřeva, někdy jsou také označovány jako příčné vazby v BS. Podstata nejsilnější fyzikální interakce (vodíkového můstku) spočívá ve společném sdílení vodíkového kationu (jádra vodíkového atomu) mezi dvěma silně elektronegativními atomy. Ostatní druhy fyzikálních interakcí např. Van der Waalsovy síly, Kusomovy síly, Debyesovy síly, apod. fungují na stejném základním principu jako vodíkové můstky, tj. na přitahování opačných elektrických nábojů, liší se pouze sílou výsledné vazby, která je odvozena od velikosti rozdílu opačných nábojů. Skutečnost, že se jedná pouze o fyzikální interakci, dává předpoklad pro nižší (desetinovou) pevnost sekundárních vazeb ve srovnání s vazbami primárními. Všechny vazby v LS komplexu založené na principu vodíkového můstku se souhrnně označují jako síť vodíkových vazeb Mechanismus plastifikace dřeva v obecné rovině (teorie plastifikace) Dočasná změna vlastností dřeva je poplatná řídnutí nebo zhušťování výše zmíněných sítí vazeb, tzn. změně počtu a umístění vazeb. Zatímco v průběhu plastifikace esterové a vodíkové sítě v LS komplexu řídnou (vazeb ubývá), při stabilizaci nového tvaru naopak houstnou (vazeb zpětně přibývá), proces je tedy reverzibilní. Těchto efektů lze dosáhnout působením plastifikačních prostředků na nativní dřevo v průběhu plastifikace. K narušení vodíkových vazeb postačí, aby plastifikační prostředek dodal desvazebnou energii k rozštěpení vazeb přibližně o velikosti kj.mol -1. K narušení kovalentních esterových vazeb se desvazebná energie pohybuje v rozsahu kj.mol -1. V tomto případě se používají plastifikační prostředky o vyšší účinnosti, příp. se kombinuje více prostředků. Nejčastěji se energie na rozštěpení vazeb dodává ve formě mechanické, elektromagnetické nebo tepelné, příp. v kombinované formě. Narušením vazeb je umožněn posun stavebních jednotek na úrovni celulózových fibril (vodíkové vazby), případně celých anatomických elementů (esterové vazby). Proces plastifikace je zpravidla doprovázen nevratnými změnami vlastností dřeva vznikajícími na základě změny chemického složení dřeva při reakcích plastifikačního prostředku se dřevem v daných podmínkách (Trebula, 1989). 25

26 3.5.4 Způsoby plastifikace dřeva Dřevo je možné plastifikovat různými plastifikačními prostředky. Klasifikaci plastifikačních způsobů podle plastifikačních prostředků uvádí Obrázek č. 2. Hydrotermický způsob plastifikace je dále členěn podle způsobu dodání tepla, tj. jednoho z plastifikačních prostředků. Každý způsob plastifikace se provádí za specifických podmínek (teplota, tlak, relativní vlhkost vzduchu, rychlost proudění vzduchu, výkonová hustota elektromagnetického pole, atd.). Hlavní plastifikační prostředky u klasifikovaných způsobů plastifikace jsou uvedeny v Tabulce č. 3. Plastifikace dřeva Hydrotermická plastifikace Chemická plastifikace Ostatní Konvekční ohřev Kontaktní ohřev Dielektrický ohřev Amoniak Ultrazvuk Paření Vaření Vysokofrekv. ohřev Močovina Nahřívání nad plamenem Ukládání do horkého písku Mikrovlnný ohřev Taninový roztok Obrázek 2: Klasifikace způsobů plastifikace podle druhu plastifikačního prostředku Legenda: Analyzované způsoby ohřevu při hydrotermické plastifikaci dřeva Experimentálně ověřované konkrétní formy analyzovaných způsobů ohřevu dřeva Tabulka 3: Hlavní plastifikační prostředky u různých způsobů plastifikace ZPŮSOB PLASTIFIKACE Hydrotermická plastifikace Chemická plastifikace Ostatní PLASTIFIKAČNÍ PROSTŘEDEK Teplo + Voda Amoniak, Močovina, Taninový roztok Mechanické kmitání 26

27 3.5.5 Mechanismus hydrotermické plastifikace dřeva Řídnutí sítě původních vodíkových (příčných) vazeb Jelikož se při navazování molekul vody uvolňuje energie větší než kj.mol -1, což je minimální potřebná energie pro rozštěpení vodíkových můstků mezi hydroxylovými (OH) skupinami sousedních makromolekul některé ze základních komponent dřeva, dochází s rostoucím obsahem vlhkosti k řídnutí sítě tvořené původními vodíkovými vazbami. Odpověď na otázku: Proč se takové množství energie při navazování molekul vody do struktury BS uvolňuje, lze najít ve značné polaritě vazeb mezi atomy vodíku a atomem kyslíku v molekule vody, která je zapříčiněna velkým rozdílem elektronegativit atomů vodíku a kyslíku. Vzniklý elektrický moment, který molekula vody nese, vyvolá po jejím přiblížení k taktéž polární OH skupině dřeva tak velkou fyzikální interakci (přitahování opačných nábojů), že pro udržení molekuly jako samostatné jednotky by bylo potřeba větší množství energie než pro porušení vodíkové vazby a navázání se do struktury dřeva. Z teorie termodynamiky vyplývá, že systém se vždy snaží dosáhnout stabilního rovnovážného stavu s minimálními nároky na energii potřebnou pro jeho udržení, tudíž navazování molekul vody je logickým řešením. Z kontextu vyplývá, že pro narušení, resp. snížení počtu příčných vazeb v BS anatomických elementů při hydrotermické plastifikaci dřeva stačí zvýšit vlhkost v okolí dřeva. S ohledem na to, že molekuly vody mají určitý objem, dochází při jejich navazování do struktury BS nejen k štěpení původních vodíkových vazeb, ale také k oddalování původně spojených makromolekul jednotlivých komponent dřeva. Makroskopicky se oddalování segmentů projevuje bobtnáním dřeva. Čím více se od sebe makromolekuly oddalují (roste počet navázaných molekul vody), tím nižší je koheze (vnitřní soudržnost) mezi nimi. Tuto ztrátu vnitřní soudržnosti způsobuje centralizování nábojů kyslíkem OH skupiny dřeva. Nejsilněji jsou tedy vázány molekuly vody nejblíže tomuto kyslíkovému atomu. S rostoucí vzdáleností navázaných molekul vody od tohoto centrálního atomu se vazebná síla zmenšuje (Melcer. Melcerová a Vozár, 1990). Nejdůsledněji se tento proces sleduje u celulózových fibril (výztužných vláken dřevního kompozitu BS) tvořících amorfní strukturu celulózy, které s rostoucími odstupy ztrácejí oporu jednak mezi sebou a jednak v ligninové matrici, čímž klesají pevnostní charakteristiky a zvyšuje se deformovatelnost dřeva. Ke snížení pevnostních charakteristik dřeva přispívají svou měrou také uvolněné struktury ostatních komponent 27

28 dřeva. Dosáhne-li se určité vzdálenosti fibril, tj. naváže-li se dostatečný počet molekul vody, je možné porušení příčných vazeb a posun řetězců či fibril v BS po sobě působením vnější síly vyvinuté při tvarování, resp. k posunu je třeba menší síly Řídnutí sítě původních kovalentních (esterových) vazeb K narušení esterových kovalentních vazeb mezi hemicelulózami a ligninem, resp. hemicelulózami a celulózou nestačí energie uvolňovaná navazováním molekul vody do struktury BS. Přídavná energie představuje doplněk do minimální desvazebné hodnoty kj.mol -1 a dodává se ve formě tepla. Narušení esterových vazeb rovněž snižuje pevnostní charakteristiky dřeva a při odbourání dostatečného počtu vazeb umožňuje rovněž posun, ale v tomto případě i na úrovni celých elementů. Po posunu elementů a snížení dodávaného množství energie mohou být esterové vazby na nových místech znovu vytvořeny (Melcer, Blažej a Šutý, 1977). Při intenzivním přísunu tepelné energie (vlivem vyšší teploty) může navíc docházet až k úplnému oddělení fragmentů LS sítě a jejich následnému přechodu do roztoku, resp. k jejich odpaření ze struktury BS. Oddělené fragmenty v roztoku (kondenzátu) dále reagují s vodou nebo mezi sebou navzájem za vzniku mj. i organických karboxylových kyselin, které působí jako katalyzátor dalších štěpných reakcí. K tomuto ději dochází např. při odštěpování fragmentů pentozanů, jež jsou součástí hemicelulóz listnatého dřeva (u buku poměrně malý podíl pentozanů) Přechod ligninu do viskoelastického až plastického stavu Zvýšená teplota způsobuje také přechod ligninu jako termoplastické hydrofobní látky do viskoelastického až plastického stavu překročením teploty skelného přechodu. Při nulové vlhkosti se pohybuje až za hranicí tepelné degradace dřeva, což je z pohledu následného využití tvarovaných výrobků nežádoucí. S rostoucím obsahem vlhkosti se však teplota skelného přechodu Obrázek 3: Závislost teploty skelného přechodu ligninu (T g ) na obsahu vlhkosti ve dřevě (Bouajila, Dole, Joly a Limare, 2006) ligninu exponenciálně snižuje (viz Obrázek č. 3). 28

29 Příčinou je roztahování ligninové struktury, a tím uvolňování makromolekul, které jsou tak dříve schopny pohybu vůči sobě (viskoelastická oblast termoplastických polymerů). I přesto, že lignin je látka spíše hydrofobní, tedy vodu odpuzující, pomáhají právě molekuly vody k uvolňování makromolekul ligninu, avšak nepřímo přes rozpínající se celulózu a hemicelulózy uložené v ligninu, které do svých vnitřních struktur přijímají molekuly vody, a tím roztahují ligninovou síť. Obrázek 4: Termomechanická křivka amorfního termoplastického polymeru (Ružinská, 2005) S rostoucí teplotou se chování ligninu blíží téměř až k plastickému tečení. Tím je umožněna změna tvaru elementů, resp. jejich BS čili houževnatá matrice dřevního vláknového kompozitu se stává tvárnější v porovnání s nativním dřevem (Trebula, 1989). Chování ligninu jako termoplastické látky při zvyšující se teplotě lze charakterizovat termomechanickou křivkou (viz Obrázek č. 4). 3.6 Plastifikace konvekčním ohřevem Mechanismus vzniku plastifikační energie (tepla) Ze základů termodynamiky vyplývá, že energie nemůže vznikat ani zanikat, pouze prochází přeměnami z jedné formy do druhé, tudíž i plastifikační energie (teplo) se tvoří pouze přeměnou z jiné formy energie. V případě konvekčního ohřevu se tepelná plastifikační energie na rozdíl od dielektrického ohřevu formuje mimo plastifikovaný materiál (ve zdroji tepla) a poté je přenášena k plastifikovaným dílcům. Na přenosu tepelné energie od zdroje tepla k plastifikovaným dílcům se téměř výlučně podílí tepelná konvekce, tzn., že molekuly obsažené v okolním plynném prostředí, tj. molekuly vodní páry a ostatních plynů tvořících plastifikační prostředí fungují jako pohyblivé nosiče určitého kvanta tepelné energie. Z velmi malé části je tepelná energie mezi zdrojem tepla a plastifikovanými dílci sdílena i sáláním. Zdrojem tepla pro konvekční ohřev v rámci plastifikace dřeva je chemický proces intenzivní oxidace určitých druhů materiálů čili spalování vhodných druhů paliv. V tomto procesu se tepelná energie formuje přeměnou energie uložené v palivu, tj. 29

30 postupným uvolňovánímováním nashromážděné né energie pomocí rychlé reakce se vzdušným kyslíkem. Z pohledu reakční termomechaniky je možné tuto reakci označit jako exotermickou, tzn. spojenou s uvolňováním tepla. Energie se v palivu ukládá při jeho vzniku. Paliva pro konvekční ohřev dřeva mohou být ve skupenství plynném, kapalném i pevném. Z plynných paliv se nejčastěji využívá zemní plyn, z kapalných paliv lehké topné oleje a z tuhých paliv uhlí, dřevo, popř. jiné materiály Šíření (distribuce) plastifikační energie (tepla) dřevem Jakmile je plastifikační energie dopravena k povrchu plastifikovaných dílců, dochází k přestupu tepla do vnitřní struktury dřeva a poté k jejímu šíření kondukcí (vedením), konvekcí (prouděním) a radiací (sáláním). Z toho vyplývá, že plastifikační energie se v průřezu dřevěného dílce šíří směrem od povrchových vrstev ke středovým, zatímco u dielektrického ohřevu je tomu přesně naopak (od středových vrstev k povrchovým). Distribuce plastifikační energie (tepla) v průřezu plastifikovaného dílce při konvekčním ohřevu v závislosti na čase je znázorněna na na Obrázcích č. 5, 6, 7 a 8. Obrázek 6: Distribuce teploty v průřezu dřevěného dílce při paření v čase (Trebula a Klement, 1997) Obrázek 5: Distribuce teploty v průřezu dřevěného dílce při konvekčním ohřevu v čase (Horáček, 2008) Obrázek 7: 3D Numerická simulace distribuce teploty ve čtvrtině pilařského výřezu při paření po 5 hodinách ohřevu (Deliiski, Dzurenda a Miltchev, 2010) Obrázek 8: Distribuce teploty v průřezu dřevěného dílce při konvekčním ohřevu v čase (Zielonka a Gierlik, 1999) 30

31 Horáček (2004) definuje přenos tepla kondukcí jako proces výměny energie mezi částicemi hmoty, které zůstávají v klidu (čistá forma kondukce), příp. vykonávají pouze mikroskopický pohyb. Na základě této definice lze konstatovat, že energie vnitřní strukturou dřeva probíhá téměř výlučně kondukcí šíření plastifikační (vedením). Ostatní způsoby sdílení tepla se na šíření plastifikační energie podílejí minimálně. Na základě uvedených skutečností se teoretické výpočty vztahující se k šíření tepla vnitřní strukturou dřeva v rámci určení potřebného času plastifikace dřevěných dílců soustředí na popis konvekce uplatňující se při přestupu tepla do vnitřní struktury dřeva a na popis kondukce uplatňující se při vlastním šíření tepla vnitřní strukturou dřeva Materiálové konstanty dřeva ovlivňující distribuci plastifikační energie Hybnou sílou pro pohyb plastifikační energie ať už v rámci konvekce nebo kondukce je gradient teplot, tzn. rozdíl v tepelné energii dvou oblastí, mezi kterými se teplo šíří. Množství přenesené plastifikační energie mezi těmito oblastmi lineárně závisí na velikosti zmíněného gradientu. Vliv mají však také materiálové vlastnosti dřeva, které jsou soustředěny v materiálových konstantách úměrnosti (Horáček, 2004). Pro přestup plastifikační energie se materiálová konstantaa úměrnosti nazývá koeficient přestupu tepla (α T ) udávaný ve W.m -2.K -1. Hodnota koeficientu přestupu tepla je dána zejména teplotou okolního vzduchu a rychlostí proudění vzduchu. Grafické znázornění vlivu teploty a rychlosti proudění vzduchu na hodnotu koeficientu přestupu tepla je na Obrázku č. 9. Obrázek 9: Vliv teploty a rychlosti proudění vzduchu na hodnotu koeficientu přestupu tepla (Horáček, 2004) V případě vedení tepla vnitřní strukturou dřeva vystupuje jako hlavní (zástupná) materiálová konstanta úměrnosti koeficient teplotní vodivosti (a) udávaný v m 2.s -1. Ten je přímo úměrně závislý na další materiálové konstantě úměrnosti, tj. na koeficientu tepelné vodivosti (λ) udávaném ve W.m -1.K -1 a nepřímo úměrněě závislý na dvou materiálových konstantách, a to na měrném teplu dřeva (c) udávaném v J.kg -1.K -1 a hustotě dřeva (ρ) udávané v kg.m -3. Hodnota koeficientu teplotní vodivosti je tedy dána hodnotami uvedených materiálových konstant. Koeficient tepelné vodivosti závisí 31

32 především edevším na vzájemné poloze směru sm šíření tepla a směru dřevních evních vláken (anizotropie dřeva), eva), dále na vlhkosti a teplotě teplot dřeva v daném bodě vnitřní řní struktury. Hodnota měrného tepla dřeva eva je poplatná aktuální vlhkosti a teplotě teplot dřeva. řeva. Hustota má mezi těmito mito materiálovými konstantami specifické postavení, sama je závislá především na pórovitosti dřeva eva a množství vlhkosti obsažené obs ve dřevě, a zároveňň na ní závisí i ostatní materiálové konstanty uplatňující uplat se přii kondukci, tj. koeficient tepelné vodivosti a měrné teplo dřeva. V každém rozboru ovlivňujících ovliv faktorů v rámci různých zných materiálových vlastností dřeva se lze odkázat kázat na n vlastnosti jednotlivých složek heterogenní soustavy dřeva. d V tomto kontextu lze všechny materiálové vlastnosti dřeva d vyjádřit řit jako vážený součet sou konkrétních ch hodnot vlastností platných pro jednotlivé základní komponenty komponent dřeva, tj. celulózu, hemicelulózy, y, lignin, vzduch, příp. íp. plynnou a kapalnou vlhkost. vlhkost Vlastnosti jednotlivých komponent jsou dány zejména hustotou, chemickým složením a vnitřní vnit strukturou. Závislosti materiálových konstant uplatňujících ujících se při p kondukci na ovlivňujících faktorech jsou j znázorněny na Obrázcích č. 10, 11 a 12. Obrázek 11:: Závislost hustoty buku na obsahu vlhkosti (Horáček, ček, 2004) Obrázek 10:: Vliv teploty a vlhkosti na hodnotu koeficientu tepelné vodivosti v příčném směru (Horáček, ček, 2004) Jelikož se kvanta tepelné energie obsažená v různých zných oblastech vnitřní vnit struktury dřeva eva nemohou vyrovnat v jediném okamžiku, je třeba t mezi výše uvedené materiálové faktory, které konstanty ovliv ovlivňují úm úměrnosti v případě kondukce zařadit zař i faktor času (nestacionární difúze tepla). tepla) Obrázek 12:: Vliv vlhkosti a teploty na měrné m teplo (Horáček, ek, 2004) 32

33 33 ( ) = T T q S α T ( ) ( ) ( ) = T T T T T T T c x zx xz z z zy yz y y yx xy x z zz z y yy y x xx x t λ λ λ λ λ λ λ λ λ ρ Základní vztahy pro distribuci plastifikační energie ve dřevě Vztah pro stanovení množství plastifikační energie, která přestoupí z okolního prostředí do vnitřní struktury dřeva lze charakterizovat jako Newtonův zákon ochlazování. kde: q hustota tepelného toku [W.m -2 ] α T koeficient přestupu tepla [W.m -2.K -1 ] T S teplota povrchu dřeva [K] T teplota tekutiny [K] Vztah pro výpočet teploty v daném bodě dřevěného dílce v určitém čase po zahájení plastifikace je poněkud složitější, což je dáno zejména závislostí směru kondukce tepla na orientaci anatomických elementů dřeva a nutností zohlednit prostorovou pozici daného bodu v tělese, tzn., počítat teplotu v daném bodě jako výsledek tří směrů vedení tepla (v ose x, y a z v kartézské souřadné soustavě). Pokud se pro výpočet použijí jako okrajové podmínky vstupní teplota dřevěného dílce a požadovaná teplota dřevěného dílce po plastifikaci je možné pomocí tohoto vztahu analyticky nebo numericky odhadnout potřebnou dobu pro plastifikaci dílců. kde: T t změna T v čase (derivace teploty podle času) T z y x ; ; změna T v závislosti na pozici v tělese (der. tep. podle vzdálen.) c měrné teplo dřeva [J.kg -1.K -1 ] ρ hustota dřeva [kg.m -3 ] λ xyz koeficient tepelné vodivosti v různých anatom. směrech [W.m -1.K -1 ] Kompletní odvození uvedených vztahů uvádí ve svých publikacích Horáček (2004 a 2008), Nasswettrová (2008) a Trcala (2007).

34 3.6.3 Charakteristiky paření v rámci plastifikace konvekčním ohřevem Základní definice Podle Trávníka (2008) lze paření definovat jako technologický proces, při kterém na strukturu dřeva za účelem modifikace jeho vlastností současně působí vlhkost a teplo. Pařením je možné dosáhnout trvalých i přechodných změn materiálových vlastností dřeva, tj. plastifikace dřeva využívající se právě při technologických procesech tvarování dřevěných dílců. Kúdela (2009) uvádí, že změny trvalé (doprovodné) jsou zastoupeny změnou barvy, odstraněním skvrn, barevnou egalizací, egalizací vlhkosti (snížením vlhkostního spádu), sterilizací, uvolněním růstových a zbytkových napětí ve struktuře dřeva a mírným trvalým zhoršením pevnosti při extrémních podmínkách paření (vysoká teplota, příliš dlouhá doba). U změn trvalých se obvykle jedná o změny chemického složení. Podle charakteru působení páry je možné rozdělit paření na přímé a nepřímé. Nemec, Šulán a Zemiar (1986) uvádí, že k paření dřevěných dílců určených pro tvarování se většinou využívá přímého paření, tj. technologie, kdy pára vzniká mimo plastifikační prostor Plastifikační média Vlhkost jako jedno z plastifikačních médií se vyskytuje přímo ve struktuře dřeva a v okolním vzduchu jako nasycená vodní pára. Za předpokladu, že vlhkost dřevěných dílců před plastifikací dosahuje optimální hodnoty, slouží nasycená vodní pára pouze k udržení optimálního množství vlhkosti ve struktuře dřeva v průběhu procesu paření, tzn., jako pomocné plastifikační médium. Pokud je ve struktuře dřeva obsaženo méně vlhkosti, než je požadováno, lze nasycenou vodní páru považovat za plnohodnotné plastifikační médium. Nasycená vodní pára je definována jako 100% relativní vlhkost vzduchu, tzn., maximální počet molekul vody, které je schopen vzduch absorbovat. Další zvyšování počtu molekul vody unikajících do vzduchu vede ke kondenzaci čili kapalnění plynné vlhkosti. Jelikož se paření řadí do velké skupiny hydrotermických způsobů plastifikace dřeva, je druhým plastifikačním médiem teplo, které je přenášeno od zdroje tepla k plastifikovaným dílcům především pomocí molekul vody obsažených ve vzduchu a ostatními molekulami okolního prostředí vykonávajícími makroskopický pohyb, tedy konvekcí. 34

35 Vzájemná interakce plastifikačních médií v průběhu plastifikace Z pohledu termodynamiky sorpce dodává teplo přecházející z okolního prostředí do struktury dřeva během konvekčního ohřevu molekulám vody navázaným ve dřevě energii pro odpoutání se z vazebných míst a únik do okolního prostředí. V okolním prostředí je však již absorbováno maximální množství molekul vody (nasycená vodní páry), tudíž se hodnota parciálního tlaku par ve vzduchu výrazně blíží parciálnímu tlaku par v povrchových vrstvách dřeva. Vlivem těchto aspektů nemá plastifikační energie prakticky žádný vliv ve smyslu snížení vlhkosti jako druhého plastifikačního média v plastifikovaných dílcích. Částečný vliv plastifikační energie na vlhkost dílců je pozorovatelný pouze v souvislosti s mírným sycením povrchových vrstev dílců zkapalněnou vlhkostí z okolního prostředí. Dřevěné dílce totiž začnou po uložení do plastifikační nádoby a zavedení nasycené páry mohutně odebírat teplo z okolního prostředí, přestup tepla z okolního prostředí do vnitřní struktury dřeva je zpočátku velmi rychlý, s postupem času jak klesá gradient teploty mezi prostředím a dílci se přestup tepla zpomaluje. S úbytkem tepla z prostředí v těsném okolí dílců se snižuje schopnost absorpce vzduchu pro vodní páru, tudíž přebytečná vlhkost zkapalní na nejchladnějším místě soustavy, tj. na povrchu hranolků. Absorpcí kapalné vlhkosti povrchovými vrstvami dochází ke zvratu vlhkostního gradientu. Před pařením jsou totiž povrchové vrstvy vlivem úniku vlhkosti do okolního prostředí mírně sušší než středové vrstvy (viz Obrázek č. 13). V procentním vyjádření má okolní vzduch stále 100% vlhkost, protože kapalní vždy pouze přebytečná část vlhkosti. Ve výsledku je vlhkost dílce udržena na optimální hodnotě, přičemž Obrázek 13: Vlhkostní spád před a po paření (Trebula a Klement, 1997) povrchové vrstvy mají mírně vyšší vlhkost (Trebula a Klement 1997) Plastifikační zařízení Pro paření dřeva je možné využít komory, jámy, zvony, kotle a autoklávy. Vaněk (1952), Trávník (2008) a Eggert (1995) uvádí, že pro paření dřevěných dílců určených k tvarování jsou vhodné autoklávy. 35

36 Jedná se o nádoby s těsným uzavíráním a zabudovaným přívodem páry. Svými rozměry jsou přizpůsobeny pro účely paření dřevěných dílců daného sortimentu. Jsou navrženy jako ocelové nádoby kruhového nebo obdélníkového průřezu uložené horizontálně s mírným sklonem pro odvod kondenzátu. Použití nekorozívního materiálu je nezbytné. Výhodná je konstrukce autoklávu komůrkovitě děleného, pracujícího nepřetržitě. Základní tvar je válcový, který je uvnitř komůrkovitě rozdělený radiálními přepážkami upevněnými na společné středové hřídeli, jejíž konec vycházející z autoklávu ven je opatřen klikou. V čelním víku bubnu jsou malá dvířka otvíratelná nožní pákou, která zpřístupňují pouze jednu komůrku autoklávu. Čas plastifikace je dán dobou jedné otáčky komůrky. Konstrukčními zásadami při navrhování autoklávu se zabývá Vaněk (1952) Parametry paření v rámci plastifikace konvekčním ohřevem Vlhkost dřevěných dílců Vlhkost před plastifikací Všichni autoři zabývající se úpravou materiálových vlastností dřeva pařením se shodují v tom, že dřevo určené k této modifikaci by mělo obsahovat maximum vody vázané a minimum, resp. žádnou vodu volnou. Vycházejí přitom z poznatků o vlivu vlhkosti na mechanické vlastnosti dřeva, přičemž největší vliv má vlhkost právě za zmíněných podmínek. Vyjádřeno v procentech absolutní vlhkosti se uvádí jako optimální počáteční vlhkost %, tj. v těsném okolí meze hygroskopicity dřeva. Při nižší vlhkosti by mohlo docházet k vadám při tvarování v důsledku nepostačující plastifikace a ke zbytečnému prodlužování plastifikačního procesu. Vyšší obsah vlhkosti má nepříznivý vliv na vlastní plastifikační účinek zejména v návaznosti na následné procesy tvarování. Nestlačitelná voda volná v lumenech buněk a mezibuněčných prostorách by při svém úniku ze struktury dřeva při tvarování mohla narušit celistvost stěn anatomických elementů, a tím znehodnotit dílec. Zároveň by se neúměrně prodlužoval proces stabilizace získaného tvaru (Trávník, 2007). 36

37 Vlhkost po plastifikaci S ohledem na hygroskopicitu dřeva lze konstatovat, že vlhkost dřevěných dílců po plastifikaci je poplatná parametrům prostředí, v němž se dřevo plastifikuje, tj. relativní vlhkosti vzduchu a teplotě vzduchu. Horáček (2008) uvádí, že při 100% relativní vlhkosti vzduchu a teplotě vzduchu C se RVD ustálí na hodnotě %. Z toho vyplývá, že během technologického procesu plastifikace pařením se vlhkost dřevěných dílců téměř nemění, což je velmi výhodné z pohledu zajištění maximálního plastifikačního účinku Teplota vzduchu (páry) S vědomím, že plastifikační prostředí obsahuje 100 % vlhkosti, tj. maximální počet molekul vody, které může vzduch absorbovat, se teplota plastifikačního prostředí uvádí vždy jako teplota vodní páry. U všech plynů včetně vodní páry je teplota svázána s tlakem a objemem plynu, tato provázanost se vyjadřuje stavovou rovnicí plynu. Vaněk (1952) doporučuje pro zabezpečení odpovídající intenzity působení páry na dřevěné dílce bez nežádoucího poškození vnitřní struktury dřeva, aby pára byla do pařící nádoby přiváděna s mírným přetlakem (0,02 0,05 N.mm -2 ), kterému podle stavové rovnice odpovídá teplota C. Podle Trávníka (2008) se limitní hodnota přetlaku vodní páry z hlediska významného poškození vnitřní struktury dřeva a bezpečnosti práce pohybuje kolem 0,2 N.mm -2, čemuž odpovídá maximální teplota páry 120 C. Skutečnost, že s rostoucím tlakem vzduchu nad vodní hladinou při výrobě páry se zvýší teplota vznikající páry, je dána tím, že molekuly vody musí překonat větší odpor, který je tlačí zpět do kapaliny. K tomu je zapotřebí molekulám dodat více energie, tzn., že k varu vody je potřeba vodu ohřát nad 100 C postačujících při běžném atmosférickém tlaku vzduchu Teplota dřevěných dílců Teplota před plastifikací Vstupní teplota dřevěných dílců by se měla pohybovat kolem C (dílenská teplota v místnosti, kde se dřevěné dílce plastifikují). Hranolky zmrzlé zbytečně prodlužují dobu paření a vznikají větší ztráty v teplotě páry, navíc při působení horké páry dochází k pulsaci BS (led voda pára), což nepřispívá ke správné plastifikaci. 37

38 Požadavek na vyšší počáteční teplotu dřevěných dílců by vyžadoval neúměrné zvýšení provozních nákladů na otop místnosti. Teplota po plastifikaci Za předpokladu, že by nedocházelo mezi dřevem a okolním prostředím k interakcím, které by ovlivňovaly teplotu dřeva, se teplota dřevěných dílců po určité době vyrovná s teplotou okolního prostředí, přičemž směr šíření tepelné energie z teplejších oblastí soustavy do chladnějších je dán druhým termodynamickým zákonem (Trcala, 2007). Teorie plastifikace dřeva však říká, že postačí, když se teplota dřeva zvýší nad teplotu skelného přechodu ligninu, která se však zásadně mění s obsahem vlhkosti ve struktuře dřeva (viz Mechanismus hydrotermické plastifikace dřeva). V podmínkách plastifikace pařením je žádoucí, aby se teplota dřevěných dílců po plastifikaci pohybovala v rozmezí C, přičemž nižší hodnota platí pro středové vrstvy dílce a vyšší hodnota pro povrchové vrstvy dílce (viz Postup plastifikační energie dřevem) Tlak páry Parametry tlaku páry byly již částečně popsány v souvislosti s teplotou páry. Pro paření dřevěných dílců se v praxi využívá vždy páry s vyšším než atmosférickým tlakem. Podle absolutní hodnoty přetlaku se v odborné literatuře hovoří o nízkotlaké (přetlak 0,02 0,05 N.mm -2, tzn., tlak 1,02 1,05 N.mm -2 ) a vysokotlaké páře (přetlak 0,2 N.mm -2, tzn., tlak 1,2 N.mm -2 ). Trávník (2008) uvádí, že rychlost plastifikace, tzn., rychlost nárůstu teploty dřeva roste s třetí mocninou tlaku páry. S postupem času paření se vliv tlaku zmenšuje. V praxi se využívá většinou nízkotlaké páry. Je to dáno především nežádoucími doprovodnými účinky při použití vysokotlaké páry (změna barvy dřeva, snížení bezpečnosti práce, apod.), a to i přesto, že se struktura dřeva nepoškodí způsobem výrazně ovlivňujícím materiálové vlastnosti dřeva po plastifikaci a vyšší teplota páry umožní přechod méně žádaných doprovodných látek do roztoku zkondensované páry (Laurová a Kúdela, 2008). 38

39 Doba plastifikace Technologický proces plastifikace dřeva by měl trvat tak dlouho, aby všechna plastifikační média prostoupila strukturou dřeva v požadovaném objemu dílce. Prostoupení daného bodu plastifikačním médiem v objemu plastifikovaného dílce se při hydrotermické plastifikaci identifikuje na základě naměření požadované vlhkosti a teploty v tomto bodě (viz Vlhkost a Teplota dřevěných dílců po plastifikaci). Pro tvarování dřeva technologiemi ohýbání a lisování se až na výjimečné případy požaduje, aby byly dřevěné dílce plastifikovány v celém objemu. S vědomím, že se při plastifikaci dřevěných dílců často využívá jako plastifikační médium přirozená vlhkost, která se ve dřevě udržuje biologickými pochody při jeho růstu, lze konstatovat, že doba plastifikace při paření bude odvozena pouze z času potřebného na prostup plastifikační energie (tepla) celým objemem dřevěného dílce. Čas potřebný na prostup plastifikačního tepla dřevěným dílcem (strukturou dřeva) ovlivňuje druh dřeviny, příčný průřez dílce (resp. tloušťka), počáteční vlhkost a teplota dílců, náročnost tvaru, zaplnění pařící nádoby dílci a obsah vzduchu v pařící nádobě. Vliv má také tlak a teplota páry, avšak s ohledem na používání ustálených hodnot těchto parametrů jsou brány jako konstanty. Značný počet ovlivňujících činitelů znesnadňuje teoretické stanovení potřebného času na paření. Přibližný čas plastifikace lze stanovit analytickým nebo numerickým výpočtem (simulací). Obvykle se však doba paření stanovuje experimentálně. Experimentálně určené a praxí potvrzené časy paření hranolků určených k tvarování ohýbáním publikuje Trávník (2008). Např. pro hranolek o průřezu mm je stanoven plastifikační čas 23 minut. Prodlužování času paření, tj. udržování dřevěného dílce při dané vlhkosti a teplotě způsobuje nežádoucí ztmavnutí barvy, deformace tvaru, vyšší hodnoty bobtnání vysušených tvarovaných dílců při styku s vlhkostí. Podrobněji se určením doby plastifikace zabývá Vaněk (1952), Trávník (2008) a Trebula (1989) Doba pro zpracování plastifikovaných dílců Parametry prostředí, v němž se autoklávy nachází (T = 30 C, RVV = %), a v kterém se zpracovávají plastifikované dílce, dávají předpoklad pro vznik poměrně velkých gradientů teploty a parciálního tlaku par, tudíž pro rychlý přestup tepla a vlhkosti z vnitřní struktury dřeva do okolního prostředí, jinými slovy k rychlému slábnutí plastifikačního účinku. Z autoklávu se proto vytahuje pouze jeden až dva dílce. 39

40 Ostatní hranolky jsou drženy v autoklávu, avšak již bez přívodu páry, aby nedocházelo k nežádoucímu prodlužování doby paření. Dílce je možné držet v autoklávu pouze omezenou dobu. Proto není vhodné použít nepřiměřeně velkých nádob (Trávník, 2008) Souhrn Tabulka 4: Směrné údaje pro plastifikaci dřevěných dílců pařením v rámci konvekčního ohřevu PARAMETR SMĚRNÁ HODNOTA Plastifikační média Vlhkost + Teplo Vlhkost dílců před plastifikací % Vlhkost dílců po plastifikaci % Teplota dílců před plastifikací C Teplota dílců po plastifikaci C Teplota páry C (120 C) Tlak páry 1,02 1,05 N.mm -2 (1,2 N.mm -2 ) Doba plastifikace V řádu desítek minut Doba zpracování Do 3 minut Nejčastější plastifikační zařízení Pařící autokláv 3.7 Plastifikace dielektrickým ohřevem Mechanismus vzniku plastifikační energie (tepla) Podobně jako u paření dřevěných dílců v rámci plastifikace konvekčním ohřevem se plastifikační energie při dielektrickém ohřevu formuje přeměnou z jiné formy energie. Zásadní rozdíl mezi konvekčním a dielektrickým ohřevem však spočívá v místě, kde se plastifikační energie formuje a v mechanismu přeměny původního druhu energie na teplo. Při dielektrickém ohřevu se plastifikační energie (teplo) formuje přímo v ohřívaném materiálu, tj. ve vnitřní struktuře dřeva. V důsledku toho se v případě plastifikace dřevěných dílců dielektrickým ohřevem neuplatňuje žádný mechanismus přenosu tepla od zdroje k plastifikovaným dílcům. K tomu, aby se mohlo plastifikační teplo utvářet přímo ve struktuře dřeva, je však zapotřebí přivést do struktury dřeva elektromagnetickou (EMG) energii. Podle Merendy (2009) je přenos EMG energie od zdroje do struktury dřeva realizován prostřednictvím časových a prostorových změn EMG pole, tj. prostřednictvím šíření EMG vln, tzn., bez účasti hmotných částic 40

41 tvořících prostředí. Částicí EMG vln je nehmotný foton definovaný jako elementární kvantum energie. Zdrojem tepla pro dielektrický ohřev je fyzikální interakce mezi EMG zářením a molekulami vody obsaženými ve struktuře dřeva, ale také některými částicemi dřeva. V průběhu této fyzikální interakce dochází k tzv. pulzní polarizaci dřeva a následně k přeměně části EMG energie na plastifikační energii. Polarizace dřeva vlivem EMG záření je umožněna polárním charakterem molekul vody a některých částic vnitřní struktury dřeva (Makovíny, 2009) Polární charakter molekul vody a některých částic dřeva Polární charakter molekul (dipólový moment) je dán excentricitou dvou stejně velkých elektrických nábojů (kladného a záporného) v jedné molekule. Excentricita elektrických nábojů se navenek molekuly projevuje jako částečný kladný náboj na jednom konci molekuly a částečný záporný náboj na druhém konci molekuly. Dva stejně velké elektrické náboje opačné polarity jsou v molekulách přítomny vždy, avšak ne vždy se musí navenek projevit jako částečné náboje opačné polarity. Jestliže je excentricita nábojů nulová, příp. velmi malá, molekula se navenek projeví jako elektroneutrální částice. O velikosti excentricity nábojů rozhoduje gradient elektronegativit atomů účastnících se chemické vazby (tvořících molekulu). Čím větší gradient elektronegativit mezi jednotlivými atomy existuje, tím větší je polarita chemické vazby, která spojuje atomy do molekuly a také excentricita nábojů, tudíž polární charakter molekuly. Silně elektronegativní atomy účastnící se vazby si přitahují elektrony od atomů se slabou elektronegativitou (stahují k sobě záporný náboj), vlivem čehož nastává u atomů ochuzených o elektrony přebytek kladných nábojů. Molekuly vody jsou vlivem velmi rozdílných elektronegativit atomů vodíku a kyslíku typickým příkladem polárních molekul. Také některé skupiny atomů dřevní substance vykazují polární charakter, jedná se zejména o hydroxylové (-OH), karboxylové (-COOH) a methoxylové (-CH 2 OH) skupiny, které jsou součástí struktury všech tří základních komponent dřeva. Již absolutně suché dřevo tedy představuje látku polárního charakteru. Jelikož se elektronegativita atomů v čase nemění, jsou polární molekuly považovány za permanentní molekulové dipóly. Podle Makovínyho a Zemiara (2006) se mohou ve vlhkém dřevě vyskytovat i volné elektrony a ionty, které významně posilují polární charakter dřeva. 41

42 Proces polarizace ve struktuře dřeva Při průchodu EMG záření strukturou dřeva na sebe vzájemně působí elektrické náboje v molekulách a elektrické náboje nesené EMG zářením podle magnetického zákona, tj. dva náboje se stejnou polaritou se odpuzují a dva s opačnou přitahují. Důsledkem je uspořádání polárních molekul obsažených ve struktuře dřeva podle polarity pole. Nasměrování polárních molekul je umožněno jejich částečnou pohyblivostí, jejíž rozsah je dán způsobem zabudování polární molekuly do vnitřní struktury dřeva. Tento druh polarizace označuje Torgovnikov (1993) jako polarizaci dipólovou (orientační), která je z pohledu všech druhů polarizace dřeva nejpodstatnější pro dielektrický ohřev dřeva. Kromě dipólové (orientační) polarizace dřeva identifikuje Torgovnikov (1993) v průběhu dielektrického ohřevu dřeva ještě další čtyři typy polarizací, a to elektronovou, atomovou (iontovou), migrační (strukturální) a elektrolytickou. Elektronová polarizace se projevuje jako posun elektronových drah vůči svému přirozenému těžišti, tj. jádru atomu při působení EMG záření. Jelikož nesou všechny elektrony v elektronových obalech všech atomů stejný elementární náboj, podléhá elektronové polarizaci jakýkoliv atom. Atomová (iontová) polarizace je způsobena pružným posunem atomů, resp. iontů v původně elektroneutrálních molekulách, čili existence permanentních dipólů není pro tento typ polarizace podmínkou. Migrační polarizace je spojena s nevázaným pohybem polárních částic v rámci určitého objemu ve struktuře dřeva. Za volné částice je možné považovat elektrony a ionty vody a za určitý objem lumeny buněk. Podmínkou vzniku výraznější migrační polarizace dřeva je tedy kapalná voda v lumenech buněk, tzn. vlhkost nad mezí hygroskopicity. Vlivem působení EMG energie na strukturu dřeva dochází také v minimální míře k elektrolytickému rozkladu dřevní hmoty, přičemž disociované ionty jsou schopné posunu, tj. elektrolytické polarizace Přeměna části EMG energie na plastifikační energii vlivem polarizace V případě EMG záření dochází k neustálé změně polarity pole, tudíž k opakovanému natáčení až rotaci dipólů a ostatních polárních částic podle aktuální polarity EMG pole, přičemž rychlost změny je tak vysoká (viz Základní definice MW ohřevu), že se polarizace vyznačuje pulzním charakterem. EMG pole slábne o energii přeměněnou na kinetickou energii polárních částic. Všechny polární částice jsou 42

43 určitým způsobem svázány s vnitřní strukturou dřeva i mezi sebou navzájem (u některých částic výlučně mezi sebou), tudíž při jejich snaze natočit se podle aktuální polarity EMG pole musí nutně docházet ke vzniku tření, které s rostoucí intenzitou vede ke vzniku plastifikační energie (Adamča, 1968). Největší tření se generuje mezi polárními částicemi, které jsou ve struktuře dřeva drženy pomocí pohyblivých kloubů, tzn. mezi permanentními dipóly (především molekulami vody). Každá molekula vody je poutána vodíkovými můstky až ze čtyř stran. Tření dipólů způsobuje hysterezi (zpoždění) polarizace, tj. dielektrickou ztrátu, na níž závisí velikost ohřívacího výkonu. Ohřívací výkon se zvyšuje s rostoucí dielektrickou ztrátou. Materiál, který je schopen ve své struktuře přeměnit část procházející EMG energie na jinou formu energie se nazývá materiálem dielektrickým. Dřevo spadá vlivem neschopnosti pohltit veškerou EMG energii dopadající na jeho povrch do skupiny nedokonalých dielektrických materiálů. Na přeměně EMG energie na plastifikační teplo se velkou měrou podílí také volné elektrony a ionty v lumenech buněk. Celkové množství tepelné energie vzniklé přeměnou EMG energie je dáno součtem dílčích plastifikačních energií, generovaných různými druhy polarizace dřeva (Hájek, 2006) Dielektrické vlastnosti dřeva ve vztahu k dielektrickému ohřevu Reakce vnitřní struktury dřeva na EMG pole je charakterizována dvěma materiálovými konstantami, a to relativní permitivitou (ε ) a ztrátovým úhlem (tgα), někdy se vyjadřují ve formě součinu pro výpočet dielektrického ztrátového čísla (ε ), jako zástupné materiálové konstanty. ε = ε tgα kde: ε dielektrický ztrátový faktor [-] ε relativní dielektrická konstanta [-] tgα ztrátový úhel [-] Relativní permitivita, tj. dielektrická konstanta (ε ) uváděná v bezrozměrných jednotkách vyjadřuje míru polarizace dřeva, tj. velikost natočení polárních molekul při působení EMG pole na vnitřní strukturu dřeva, jinými slovy předurčuje pohyblivost polárních částic (Nasswettrová, 2011, Merenda, 2009). Černý (2005a) definuje relativní permitivitu z pohledu výpočtu jako poměr kapacity kondenzátoru vyplněného 43

44 jednotkovým objemem daného materiálu (dřeva) a kapacity stejného kondenzátoru vyplněného vakuem. Jelikož se ve vakuu nenacházejí žádné hmotné částice, které by se mohly vlivem EMG energie polarizovat, pohybují se hodnoty relativní permitivity reálných materiálů vždy nad hodnotou jedna. Ztrátový úhel, tj. ztrátový činitel dřeva (tgα) je taktéž uváděn v bezrozměrných jednotkách a charakterizuje množství EMG energie, které jsou polární částice obsažené ve vnitřní struktuře dřeva schopny převést přes kinetickou až na tepelnou energii. Čím pevněji jsou polární částice vázány ve struktuře dřeva, tím pomaleji reagují na změnu polarity EMG pole, tj. zvětšuje se ztrátový úhel, který fázověě posune (přiblíží) elektrický střídavý proud k napětí. V případě vakua, kdy nedochází k žádnému fázovému posunu, předbíhá proud napětí o π/2 radiánu (Sahin, 2004). Uvedené materiálové konstanty jsou dány hustotou, vlhkostí a teplotou dřeva, dále významně závisí na frekvenci EMG pole a pozici pole vůči směru dřevních vláken. Podobně jako v případěě materiálových konstant uplatňujících se při sdílení tepla ve struktuře dřeva lze i relativní permitivitu a ztrátový úhel vyjádřit jako vážený součet relativních permitivit a ztrátových úhlů platných pro jednotlivé komponenty dřeva. Grafické znázornění determinace uvedených materiálových konstant zmíněnými ovlivňujícími faktory je možné shlédnout na Obrázcích č. 14, 15, 16 a 17. Obrázek 14: Vliv teploty a vlhkosti na relativní permitivitu dřeva (Hansson, 2007) Obrázek 15: Vlevo Vliv hustoty a vlhkosti na relativní permitivitu dřeva v příčném směru (Torgovnikov, 1993) Obrázek 16: Vpravo Vliv frekvence a vlhkosti na relativní permitivitu dřeva v příčném směru (Torgovnikov, 1993) Obrázek 17: Vliv vlhkosti a anatomického směru na ztrátový úhel dřeva (Torgovnikov, 1993) 44

45 3.7.2 Šíření (distribuce) plastifikační energie (tepla) dřevem Pro identifikaci rozložení teploty ve struktuře dřeva v průběhu dielektrického ohřevu lze úvahy a vztahy použité při konvekčním ohřevu využít jen v minimální míře. Jsou totiž založeny na sdílení tepla přiváděného do vnitřní struktury plastifikovaných hranolků zvenku. V případě, kdy se plastifikační teplo formuje přímo ve struktuře materiálu vlivem pulzní polarizace polárních částic struktury, lze úvahy o přestupu tepla využít pouze pro přenos tepla od polárních molekul na nepolární molekuly. Teplo je mezi molekulami sdíleno téměř výlučně kondukcí (Merenda, 2009). Kondukci determinují gradient teplot polárních a nepolárních molekul a materiálové konstanty úměrnosti (koeficient tepelné vodivosti, měrné teplo a hustota dřeva). Funkční princip kondukce včetně teoretických vztahů je obdobný jako v případě vedení tepla uvnitř plastifikovaných dílců v rámci konvekčního ohřevu. Rozložení teploty ve struktuře plastifikovaných dílců při dielektrickém ohřevu lze identifikovat podle rozložení vstupní vlhkosti v dílcích, hloubky průniku EMG energie do struktury dřeva a rovnoměrnosti působení EMG energie na strukturu dřeva Identifikace rozložení teploty podle rozložení vstupní vlhkosti Tento způsob identifikace rozložení teploty ve vnitřní struktuře plastifikovaných dílců je umožněn vlivem velkých rozdílů v dielektrických parametrech složek dřevní substance a obsažené vlhkosti, zejména vody volné, která má výrazně vyšší schopnosti transformovat EMG energii na energii kinetickou a následně tepelnou než jednotlivé složky dřevní substance. Za předpokladu rovnoměrného působení EMG energie ve všech místech struktury dřeva a při proniknutí EMG energie přes celý průřez dílců lze tedy poměrně přesně odvodit rozložení plastifikační energie, tj. teploty ve struktuře plastifikovaných dílců podle rozložení vstupní vlhkosti v těchto dílcích. Rozložení vstupní vlhkosti závisí mimo jiné na způsobu přípravy dřevěných dílců před plastifikací, resp. na způsobu zajištění požadované vstupní vlhkosti. Pokud se využije mírně snížené přirozené vlhkosti obsažené v rostoucích stromech, lze po průřezu dílce předpokládat mírný vlhkostí spád, přičemž povrchové vrstvy mají vlivem částečného úniku vlhkosti do okolního prostředí nižší vlhkost než vrstvy středové. V tomto případě budou mít středové vrstvy při plastifikaci dielektrickým ohřevem vyšší teplotu než povrchové vrstvy dílce. Pokud se pro zajištění požadované vstupní vlhkosti plastifikovaných dílců využije máčení, lze předpokládat opačný průběh vlhkostního a 45

46 zároveň i teplotního spádu. Takové rozložení teplot po průřezu máčených plastifikovaných dílců při dielektrickém ohřevu však platí pouze do určitého času ohřevu, tj. do okamžiku než se vlivem zvýšené teploty v povrchových vrstvách sníží obsah vlhkosti. Kromě způsobu zabezpečení požadované vstupní vlhkosti dřevěných dílců mohou rozložení vstupní vlhkosti ovlivnit také strukturální odchylky stavby dřeva, apod., které mohou vyvolat lokální zvýšení či snížení vlhkosti (Makovíny, Reinprecht, Šmíra, Pavlík a Terebesyová, 2011) Identifikace rozložení teploty podle hloubky vniku EMG energie Dřevo jako nedokonalé dielektrikum propouští pouze část dopadajícího EMG záření do své struktury (Černý, 2005c). V návaznosti na dielektrický charakter dřeva, tzn. jeho schopnost část procházející EMG energie přeměnit na plastifikační Obrázek 18: Útlum EMG záření při průchodu dřevem (Hansson, 2007) teplo, se šíření EMG pole neklasifikuje hustotou toku jako v případě šíření tepla při konvekčním ohřevu dřeva, ale hloubkou průniku (vniku). Černý (2005c) a Torgovnikov (1993) charakterizují hloubku průniku EMG záření do struktury materiálu jako hloubku, ve které původní intenzita elektrického pole klesne pod hodnotu 1/e, přičemž e je Eulerovo číslo, tedy v procentním vyjádření pod přibližně 37 %. Hansson (2007) uvádí, že původní intenzita elektrického pole se s rostoucí hloubkou vniku zmenšuje exponenciálně (viz Obrázek 19: Útlum EMG záření o frekvenci 2,45 GHz při průchodu dřevem (Rattanadecho, 2006) Obrázek č. 19). Podobný trend je patrný i z Obrázku č. 18. Pro výpočet intenzity elektrického pole v dané hloubce tělesa uvádí Torgovnikov (1993) následující vztah. kde: E intenzita el. pole v dané hloubce [V.m -1 ] αx E = E 0 e E 0 intenzita el. pole na povrchu [V.m -1 ] e Eulerovo číslo [-] α koeficient útlumu [-] x hloubka průniku EMG záření [m] 46

47 Koeficient útlumu (α) je dán zejména hodnotami relativní permitivity a ztrátového úhlu dřeva, tudíž dielektrickými vlastnostmi dřeva. Hloubka průniku se bude s rostoucím počtem spotřebičů EMG energie, tedy s rostoucím počtem polárních částic ve struktuře dřeva zmenšovat, tzn., že s rostoucí vlhkostí a hustotou se EMG energie spotřebuje ve struktuře dřeva dříve (Danko, 1994). Naopak se zvyšováním pohyblivosti polárních částic, klesá dielektrická ztráta, a tudíž se hloubka průniku zvyšuje. Za předpokladu rovnoměrného působení EMG energie na strukturu dřeva a rovnoměrného rozložení vstupní vlhkosti se lze na základě znalostí o průniku EMG energie do struktury dřeva domnívat, že zpočátku plastifikace EMG energie nepronikne až do středových vrstev, tudíž vznikne po průřezu dílce teplotní spád s nižší teplotou ve středových vrstvách. Postupem času se však vlhkost obsažená v povrchových vrstvách vlivem zvýšené teploty a nízké vlhkosti okolního vzduchu částečně odpaří a EMG pronikne i do středových vrstev, čímž se teplotní spád výrazně sníží, zruší, příp. zvrátí Identifikace rozložení teploty podle rovnoměrnosti působení EMG energie na strukturu dřeva EMG záření se od svého zdroje šíří pomocí vlnovodů, z kterých vychází všesměrným způsobem do plastifikační nádoby (rezonátoru). EMG vlny se po transportu do plastifikačního prostoru ze všech stran uzavřeného odrazivými stěnami, odráží v podstatě až do okamžiku, kdy získají směr, ve kterém narazí na ohřívaný materiál a ten je pohltí. Tyto mnohanásobné odrazy EMG vln od stěn rezonátoru způsobí vznik stojaté vlny, vlivem které se v plastifikační nádobě vytvoří oblasti charakteristických minim hustoty EMG energie a oblasti charakteristických maxim hustoty EMG energie. V místech charakteristických minim lze očekávat nižší teploty než v oblasti charakteristických maxim. Jak uvádí Nasswettrová (2011) v anglicky psané odborné literatuře odpovídá těmto oblastem označení cold and hot spots. Identifikaci těchto míst v rezonátorovém prostoru lze provést např. pomocí vhodně vkládaného teplocitlivého papíru. Tuto metodu použil např. Biolek (2006). Na Obrázku č. 20 je zobrazeno konstrukční řešení dané metody pro rezonátor mikrovlnné trouby a výsledky měření v grafické podobě. Obrázek 20: Vlevo Identifikace cold and hot spots pomocí horizontálně kladených teplocitlivých papírů mezi PS deskami (Biolek, 2006) Vpravo Výsledky měření při neotáčení se podstavce s aktivním původním zdrojem (Biolek, 2006) 47

48 Nasswettrová (2011) použila pro stejný účel rastr zkumavek naplněných vodou a termokameru, část výsledků je možné vidět na Obrázku č. 21. Pro většinu aplikací dielektrického ohřevu není tato nerovnoměrnost EMG pole výhodná, proto se za účelem dosažení Obrázek 21: Identifikace "cold and hot spots" pomocí rastru zkumavek a termokamery (Nasswettrová, 2011) rovnoměrnosti dielektrického ohřevu provádí různá opatření. Nasswettrová (2011) je shrnuje do dvou skupin. V první skupině jsou zahrnuty všechny způsoby založené na neustálém pohybu ohřívaného dílce, kdy je cílem, aby se dílec pohyboval stejně dlouho v oblasti charakteristických minim i maxim. Do druhé skupiny jsou řazeny způsoby založené na zvýšení homogenity vlastního EMG pole, např. instalací více zdrojů EMG záření, použitím zdrojů o různých frekvencích, příp. zdrojů s proměnlivou frekvencí, ale také ideálním tvarem rezonátoru, příp. použitím mechanických rozmítačů EMG energie uvnitř rezonátoru Reálné rozložení plastifikační energie (tepla) ve vnitřní struktuře plastifikovaných dílců V reálných podmínkách se na výsledném rozložení teploty ve vnitřní struktuře dielektricky plastifikovaného dřeva podílí všechny zmíněné faktory. Z Obrázků č. 22, 23, 24 a 25, které znázorňují, jak experimentálně naměřené, tak numericky simulované rozložení teploty v ohřívaných dílcích, je patrný obecný teplotní profil dílců při dielektrickém ohřevu. Obrázek 23: Distribuce teplota v průřezu dřev. dílce při dielektrickém ohřevu v čase (Zielonka a Gierlik, 1999) Obrázek 22: Rozložení teploty v průřezu dřev. dílce při dielektrickém ohřevu v čase (Makovíny a Zemiar, 2006) 48

49 Obrázek 24: Průběh povrchové teploty v závislosti na vlhkosti v čase (Merenda, 2009) Obrázek 25: 3D Numerická simulace distribuce teploty po podélném průřezu dřevěného dílce při dielektrickém ohřevu (Antti a Perré, 1999) Nejnižší teplota se po určitém čase ohřevu vyskytuje ve středu profilu, přičemž směrem k povrchu dílce se teplota zvyšuje. Svého maxima dosahuje pár milimetrů pod povrchem, to je dáno často nižší vlhkostí v povrchových vrstvách vlivem částečného úniku molekul vody do okolního prostředí před započetím ohřevu a zároveň ochlazováním povrchových vrstev, jednak odpařováním molekul vody v průběhu ohřevu a jednak tepelným přestupem z teplejší oblasti do chladnější. Zpočátku dielektrického ohřevu se však plastifikační energie za předpokladu průniku EMG energie přes celý průřez dílce formuje neintenzivněji ve středových vrstvách, tzn., zcela naopak než u konvekčního ohřevu Charakteristiky MW ohřevu v rámci plastifikace dielektrickým ohřevem Základní definice Z pohledu formálního zařazení se mikrovlnný (MW) ohřev označuje jako jeden ze dvou způsobů dielektrického ohřevu (druhým způsobem je vysokofrekvenční ohřev). Celkově definuje Černý (2005a) dielektrický ohřev jako podmnožinu elektrického ohřevu, zaměřeného na ohřev dielektrických materiálů. Z fyzikálního hlediska se MW záření definuje jako EMG záření projevující se duálním charakterem, tzn., jako vlnění nebo proud částic. Jako vlnění je možné MW záření charakterizovat frekvencí (f) v rozsahu 300 MHz až 300 GHz a odpovídající vlnovou délkou (λ) 1 m 1 mm. Rychlost šíření (c) je stejná pro všechny druhy EMG vlnění, tj km.s -1. Podle Makovínyho a Zemiara (2006) lze elektromagnetickou vlnou nazvat s konečnou rychlostí se šířící EMG pole, to se skládá ze dvou vzájemně 49

50 nezávislých složek, a to z elektrického pole a magnetického pole. Grafické znázornění Obrázek 26: Grafické znázornění EMG vlny (Nasswettrová, 2011) EMG vlny je na Obrázku č. 26. Z pohledu celkového množství nesené energie EMG zářením spadá MW záření do skupiny neionizujících záření, tzn., že není schopno porušit svou vlastní energií (rozkmitáním) ani nejslabší vazebné interakce mezi atomy (Černý, 2005b) Plastifikační média Podobně jako v případě paření v rámci plastifikace dřevěných dílců konvekčním ohřevem se pro plastifikaci využívají vlhkost a teplo. Vlhkost je obsažena ve struktuře dřeva již před započetím ohřevu. Na rozdíl od paření se v okolním prostředí nevyskytuje velké množství vlhkosti, tudíž je vlhkost obsažená ve struktuře jedinou formou tohoto plastifikačního média. Plastifikační energie (teplo) jako plastifikační médium má stejnou funkci jako při plastifikaci dřeva všemi ostatními hydrotermickými způsoby. V případě MW ohřevu se však vyznačuje velmi specifickým způsobem dodání do struktury dřeva Vzájemná interakce plastifikačních médií v průběhu plastifikace Interakce vlhkosti a tepla je v případě MW ohřevu poměrně výrazná. Teplo velmi rychle vznikající přímo ve struktuře dřeva podněcuje razantní únik molekul vody ze struktury dřeva, kterému není bráněno nulovým gradientem parciálního tlaku par mezi povrchovými vrstvami dřeva a okolním vzduchem jako v průběhu plastifikace pařením. V podstatě se jedná o technologický proces intenzivního sušení dřeva, při kterém generují teplo především samotné molekuly vody, což podporuje jejich únik. Z pohledu plastifikačního účinku je tato interakce značně nežádoucí, proto jsou doporučována různá opatření pro zmírnění této interakce. Doporučená opatření uvedená v Tabulce č. 5 mají společný cíl, kterým je zvýšení vlhkosti v okolním prostředí, tzn., snížení gradientu parciálních tlaků par, tedy hybné síly pro únik molekul vody ze struktury dřeva. Tyto opatření je vhodné kombinovat s vyšším obsahem vlhkosti ve 50

51 struktuře dřevěných dílců, který by měl zajistit, aby i po odpaření určité části vlhkosti zůstalo ve struktuře dřeva požadované množství vlhkosti. Tabulka 5: Doporučená opatření pro omezení nežádoucí interakce mezi vlhkostí a plastifikačním teplem podle Makovínyho a Zemiara (2006) OPATŘENÍ Balení do nepropustných fólií Uložení dílců do speciální plastifikační nádoby nad vodní hladinu Máčení dílců před plastifikací ÚČINNOST velká malá střední Máčení dílců během plastifikace velká Plastifikační zařízení MW ohřev v rámci plastifikace dielektrickým ohřevem nejčastěji probíhá v tzv. multimódových dutinových rezonátorech, což jsou prostory uzavřené ze všech stran vodivými (dokonale odrazivými) stěnami. Na plastifikované dřevěné dílce uložené v tomto prostoru působí EMG záření, které je od zdroje přiváděno pomocí vlnovodů. Vlnovody je možné charakterizovat jako krátké potrubí pravoúhlého průřezu vyrobené z ocelových plechů různé tloušťky. Rozměry rezonátorů i vlnovodů se odvíjí od použité frekvence EMG záření, zpravidla jsou celistvým násobkem vlnové délky. Vlivem tvaru kavity (rezonátoru) a vlnovodu na rovnoměrnost místně i časově proměnného EMG pole se zabývají Biolek (2006) a Vintr (2009). Mód (vid) pole je výsledkem řešení rovnic pole, nejčastěji se ve vlnovodech generují transverzálně elektrické (TE) módy. Ty se podle Nasswettrové (2011) a Vintra (2009) vyznačují kolmým výskytem složek elektrického pole ke směru šíření EMG vlny. Podle mezní frekvence pro šíření EMG vln ve vlnovodech se rozlišuje několik TE modů, které se označují jako TE 10, TE 20, TE 30, apod. Zdrojem elektromagnetických vln je magnetron. Jedná se o válcovou diodu uloženou mezi dvěma permanentními magnety. Princip vzniku EMG záření spočívá v emisi elektronů z povrchu žhavené katody, které se podle zákona magnetismu pohybují směrem k opačně nabité anodě. V okamžiku, kdy se elektron přiblíží k anodě, dojde ke změně polarity v daném místě anody a elektron je odrážen směrem zpět ke 51

52 katodě. Frekvence změn polarity je velmi vysoká (10 9 ), proto začne elektron mezi katodou a anodou kmitat (oscilovat). Při oscilačním pohybu jsou elektrony vystaveny i statickému magnetickému poli tvořenému permanentními magnety, jehož vektor je kolmý k vektoru elektrického pole (viz Obrázek 27: Struktura VF elektrického pole v prostoru diody (Tichý, 2010) Obrázek č. 27). Elektrony jsou tudíž strhávány jedním směrem a přes anténu vyváděny do prostoru vlnovodu (Černý, 2005c). Katody se nejčastěji konstruují jako válce a anody jako prstence, které válec obklopují (válcový magnetron), možná je také kvádrová konstrukce anody a katody s rovnoběžným uložením (rovinné magnetrony planotrony). Řez válcovým magnetronem představuje Obrázek č. 29, řez rovinným magnetronem Obrázek č. 28. Obrázek 29: Řez válcovým magnetronem (Lišková, 2008) Obrázek 28: Řez rovinným magnetronem (Tichý, 2010) Parametry MW ohřevu v rámci plastifikace dielektrickým ohřevem Vlhkost dřevěných dílců Vlhkost před plastifikací V návaznosti na doporučená opatření pro omezení úniku vlhkosti ze struktury dřeva v průběhu MW ohřevu je výhodné, aby se vlhkost dřevěných dílců před plastifikací pohybovala nad mezí hygroskopicity. Optimální hodnota vstupní vlhkosti by měla zajistit, aby vlhkost dřevěných dílců po plastifikaci byla v těsném okolí meze hygroskopicity, což je ideální z pohledu plasticity dílců a následného tvarování. Intenzita vysoušení v průběhu MW ohřevu je dána mnoha faktory, proto je obtížné striktně doporučit hodnotu optimální vlhkosti dřevěných dílců před plastifikací. Obecně 52

53 je možné považovat za spodní hranici vlhkost kolem 35 %, horní hranici je třeba definovat vždy podle daného případu (Norimoto a Gril, 1989). Vlhkost po plastifikaci Vlhkost dřevěných dílců je po plastifikaci MW ohřevem vždy nižší, než byla vlhkost dílců před plastifikací. Velikost úbytku vlhkosti závisí zejména na intenzitě EMG pole, době plastifikace, vstupní vlhkosti, režimu MW ohřevu (kontinuální diskontinuální) a realizovaných opatření pro snížení úbytku vlhkosti ze struktury dřeva. V ideálním případě by se měla pohybovat těsně okolo meze hygroskopicity, tj. v rozmezí %. Reálné rozložení vlhkosti po plastifikaci MW ohřevem uvádějí následující Obrázky č. 30 a 31. Obrázek 30: Vlhkostní profil bukového dílce po plastifikaci MW ohřevem (Zemiar, Gašparík a Kuruc, 2008) Obrázek 31: Vlhkostní profil dřevěného dílce před (nahoře) a po (dole) MW ohřevu (Studhalter, Ozarska a Siemon, 2009) Teplota dřevěných dílců Teplota před plastifikací Počáteční teplota by se měla pohybovat v rozmezí C, tedy v oblasti dílenských teplot při plastifikaci dřevěných dílců. Zmrzlé dřevěné dílce je sice možné pomocí MW ohřevu plastifikovat také, ale z důvodu neúměrného prodloužení doby plastifikace to není vhodný postup. Teplota po plastifikaci V průběhu plastifikace MW ohřevem se uplatňuje Newtonův zákon ochlazování, tzn., že plastifikovaný dílec má tendenci svou tepelnou energii odevzdávat okolnímu chladnějšímu vzduchu. Ten je ohříván pouze teplem, které mu předávají plastifikované 53

54 hranolky (kolem 40 C). Intenzita MW ohřevu je natolik velká, že teplota dřevěných dílců v průběhu plastifikace vzrůstá i přes uvedené zákonitosti ochlazování. Růst teploty by měl pokračovat až nad teplotu skelného přechodu ligninu, která se mění s obsahem vlhkosti. S poklesem vlhkosti ve struktuře dřeva se teplota skelného přechodu ligninu zvyšuje, proto je zapotřebí, aby bylo požadované teploty C dosaženo v co nejkratším čase s minimální ztrátou vlhkosti a v návaznosti na to, aby byly ve vstupní vlhkosti rezervy pro případné prodloužení plastifikačního procesu (Norimoto a Gril, 1989) Elektrické veličiny Frekvence EMG záření Torgovnikov (1993) uvádí jako nejčastěji celosvětově používanou frekvenci EMG záření vyhrazenou pro průmyslové aplikace 2450 MHz s vlnovou délkou 12,25 cm. Při této frekvenci vykazují také molekuly vody největší spotřebu EMG energie na vznik kinetické a následně tepelné energie. V některých státech se však používají i jiné typické frekvence např. 915 MHz se využívá v USA, Rusku a Austrálii, nebo 168 MHz se využívá ve Velké Británii. Hustota elektromagnetického pole (výkonová hustota) Pohybuje se v jednotkách až desítkách kw.m -3. Makovíny a Zemiar (1986) použili pro mikrovlnnou plastifikaci dřevěných dílců mikrovlnné zařízení s výkonovou hustotou 60 kw.m -3, Nasswettrová (2011) mikrovlnnou aparaturu s výkonovou hustotou 32 kw.m -3 a Studhalter, Ozarska a Siemon (2009) mikrovlnné zařízení s 5 kw.m -3. Typ magnetronů (elektromagnetických vln) Pro běžné, méně náročné průmyslové aplikace se používají magnetrony se stálým příkonem, tj. se spínaným zdrojem (CW magnetrony), pro více náročné průmyslové aplikace se využívají impulzní magnetrony, tj. kontinuálně řízené magnetrony (Nasswettrová, 2008). 54

55 Výkon magnetronů Výkon CW magnetronů se pohybuje v řádu jednotek až stovek kw, výkon kontinuálně řízených magnetronů dosahuje několika MW. Černý (2005f) uvádí, že z ekonomického hlediska je nejvýhodnějším zdrojem magnetron o výkonu 1,5 kw Doba plastifikace Doba plastifikace v případě MW ohřevu je odvozena pouze od času potřebného na nárůst teploty na požadovanou hodnotu. Do času plastifikace se z hlediska ohřevu dílců nepočítá čas potřebný na distribuci tepla ve struktuře dílce jako u paření, protože plastifikační teplo vzniká téměř v celém objemu dřeva současně. V případě umělého zvlhčování dřeva za účelem zajištění požadované vlhkosti dřevěných dílců před plastifikací je nutné do doby plastifikace zahrnout také čas na tuto přípravu. Samotný čas potřebný na ohřev plastifikovaných dílců na požadovanou teplotu ovlivňuje intenzita EMG pole, režim MW ohřevu (kontinuální diskontinuální), druh dřeviny, počáteční vlhkost a teplota dílců, náročnost tvaru a zaplnění rezonátoru dílci. Přibližné stanovení potřebného času na MW ohřev analytickým postupem je možné, obvykle se však doba MW ohřevu stanovuje experimentálně. Značná variabilita v elektrických parametrech používaných mikrovlnných zařízení způsobuje také značnou variabilitu v experimentálních časech ohřevu. Obvykle se pohybuje v řádu sekund až minut a v porovnání s pařením je přibližně 5 až 7x kratší. Prodlužování času ohřevu způsobuje stálý pokles vlhkosti, tudíž je třeba zachytit ostré maximum plastifikačního účinku, které nastává v okamžiku, kdy dojde k ohřevu dřeva na požadovanou teplotu (Norimoto a Gril, 1989) Doba pro zpracování plastifikovaných dílců Pro zpracování mikrovlnně plastifikovaných dílců tvarováním platí stejná pravidla jako pro dílce plastifikované pařením, tzn., doba zpracování musí být co nejkratší (přibližně do 3 minut), protože vlivem velkých gradientů parciálního tlaku par a teploty dochází k rychlému slábnutí plastifikačního účinku. Jelikož v případě plastifikace neexistuje možnost dočasného uchování dřevěných dílců v plastifikovaném stavu, je třeba plastifikovat dřevěné dílce po tolika kusech, které mohou být zpracovány v daném intervalu. 55

56 Souhrn Tabulka 6: Směrné údaje pro plastifikaci dřevěných dílců MW ohřevem v rámci dielektrického ohřevu PARAMETR SMĚRNÁ HODNOTA Plastifikační média Vlhkost + Teplo Vlhkost dílců před plastifikací Minimálně 35 % Vlhkost dílců po plastifikaci Ideálně % Teplota dílců před plastifikací C Teplota dílců po plastifikaci C Frekvence EMG záření MHz Výkonová hustota V řádu jednotek až desítek kw.m -3 Typ magnetronu (EMG vln) CW (Stálá vlna) Výkon magnetronů V řádu jednotek až stovek kw Doba plastifikace V řádu jednotek minut Doba zpracování Do 3 minut Nejčastější plastifikační zařízení Multimódový dutinový rezonátor 3.8 Základní způsoby beztřískového tvarování dřevěných dílců Mezi základní technologické procesy beztřískového tvarování dřevěných dílců lze podle Nemce, Šulána a Zemiara (1986) a Trávníka (2007) řadit ohýbání, lisování a lamelování, které však není z hlediska zaměření a omezeného rozsahu práce analyzováno. Hranice mezi oběma způsoby tvarování není jednoznačně rozlišitelná, téměř vždy se jedná o kombinaci těchto základních způsobů tvarování Ohýbání Odborná literatura hovoří o technologii ohýbání pouze ve spojitosti s ohýbáním masivního dřeva. Z technologického pohledu definuje Dejmal (1995) ohýbání jako postup, při němž dochází k vytvoření ohybu. Ohýbáním se nejčastěji tvarují hranolovité dílce, zřídka také dílce plošného charakteru. Praktický význam pro masivní dřevěné dílce má pouze případ, kdy vnější ohybová síla působí kolmo k podélné ose dílce, přičemž ohybový moment působí po délce hranolku. Klasifikace způsobů a metod (postupů) ohýbání masivního dřeva je zobrazena na Obrázku č. 32. Konkrétní parametry ohýbání se významně odlišují podle způsobu a metody ohýbání, rozměrů dílce, 56

57 výsledného tvaru, apod. Stručná charakteristika ručního a strojního způsobu ohýbání je uvedena v Samostatné příloze k této práci. Ohýbání masivního dřeva S volným prodloužením (bez pásnice) Bez volného prodloužení (s pásnicí) STROJNÍ OHÝBÁNÍ Tvarové lisování hranolků Ohyb předstlačeného dřeva Ohyb s pásnicí Ohyb předstlačeného dřeva RUČNÍ OHÝBÁNÍ Ohyb předstlačeného dřeva Ohyb s pásnicí Ohyb předstlačeného dřeva Obrázek 32: Klasifikace způsobů a metod (postupů) ohýbání masivního dřeva podle Eggerta (1995) Teorie ohybu Teorie ohybu popisuje napěťové a deformační poměry ve dřevě během ohýbání pomocí matematických vztahů. Na tomto poli vědecké činnosti bylo již provedeno mnoho výzkumů, z kterých vyplynulo také hodně platných teoretických vztahů, proto v rámci předkládané práce budou zmíněny pouze základní formulace, z kterých se v praxi vychází. Všechny vztahy platné pro ohýbání dřeva se odvozují z volného ohybu neplastifikovaného (přírodního) dřeva. Volný ohyb neplastifikovaného dřeva Při vytváření ohybu jsou nuceny vlákna nacházející se na vnější (konvexní) straně ohybu zvětšovat svou délku (jsou namáhány tahem) a vlákna na vnitřní (konkávní) straně ohybu zmenšovat svou délku (jsou namáhány tlakem). Velikost a charakter (tah tlak) mechanického namáhání vláken je poplatný poloze vlákna v příčném průřezu hranolku, resp. jeho vzdálenosti od středu ohybové kružnice. Deformace vláken je možná pouze do určité meze (maximálního přetvoření; pro tah II do 1 %) a poté dochází k nutnému posunu vrstev po sobě ke smyku. Je-li i nadále zmenšován poloměr ohybu, dojde nejprve k překonání meze pevnosti v tlaku podél vláken, tj. k vybočení vláken, což se makroskopicky projeví na vnitřní straněě ohybu jako mírné 57

58 zvrásnění povrchu dřeva, přičemž ohyb je stále celistvý. S rostoucím napětím však dojde i k překonání meze pevnosti v tahu podél vláken, což způsobí prasknutí hranolku na konvexní straně. Příčinou porušení hranolku při ohýbání tedy není překonání meze pevnosti v tlaku podél vláken, ale v tahu. V návaznosti na tyto poznatky je v praxi snahou, aby se při vytváření ohybu podněcovala po tloušťce hranolku maximálně deformace tlaková, přičemž tahová pouze do meze pevnosti v tahu podél vláken (Katsuragi, 2011). Jestliže se v hranolku generují během vytváření ohybu tahová i tlaková napětí s graduálním rozložením velikosti podle vzdálenosti od středu ohybové kružnice, pak i přechod mezi nimi bude plynulý, tzn., bude obsahovat vrstvu, ve které budou mít oba druhy normálového namáhání nulovou hodnotu. Takové rozhraní mezi tlakovou a tahovou zónou tvoří tzv. neutrální osa, ve které nedochází k žádnému natahovaní či zkracování vláken (konstantní délka). Za předpokladu stejného modulu pružnosti (tuhosti) dřeva v tlaku a tahu v oblasti pružného namáhání se u neplastifikovaného hranolku neutrální osa nachází přesně uprostřed jeho tloušťky, tedy souhlasně s jeho geometrickou osou (Eggert, 1995). Jak je patrno, se zvětšováním vzdálenosti vlákna od neutrální osy roste také napětí v tomto vláknu, tato skutečnost je zapříčiněna souvztažnou změnou poloměru ohybu, a tím také změnou délky kruhového oblouku při zachování původního úhlu kruhové výseče. Geometrické i napěťové poměry po tloušťce volně ohýbaného hranolku jsou znázorněny na Obrázku č. 33. Obrázek 33: Geometrické a napěťové poměry po tloušťce volně ohýbaného hranolku (Eggert, 1995) Volný ohyb plastifikovaného dřeva V návaznosti na zákonitost, která říká, že poloha neutrální osy závisí na tuhosti materiálu při namáhání v tlaku a tahu podél vláken a s přihlédnutím k vlivu vlhkosti a teploty na tyto materiálové vlastnosti dřeva, je nasnadě posun neutrální osy po plastifikaci dřeva z poloviny asi do dvou třetin tloušťky hranolku ve prospěch tlakové strany. Posun osy je vždy směrem k vyššímu modulu pružnosti. přemístění neutrální osy je větší část tloušťky hranolku namáhána Důsledkem tohoto na tlak a menší na tah. Zmenšení tahové zóny vede k vývinu menších napětí (závislost velikosti napětí na 58

59 vzdálenosti od neutrální osy), naopak v případě tlakové zóny se napětí stupňuje (Eggert, 1995). Ohyb s pásnicí Pásnice je ocelový pás opatřený na konci pevnými zarážkami, které nedovolí prodlužování vrstev a následně praskání hranolku. Tuhost oceli v tahu je asi 20x vyšší než u dřeva, vlivem čehož se neutrální osa nachází až mezi pásnicí a hranolkem. Klíčovým prvkem jsou koncové zarážky, které vytváří čelní tlak a nedovolí prodloužení dřevních vláken. Vaněk (1958) udává, že nejkvalitnějších výsledků ohýbání se dosahuje, pokud se využije možné protažení hranolku při ohýbání v maximální míře, proto je vhodné použít pohyblivé zarážky o max. posunu 2 % z původní délky hranolku, tj. o mez průtažnosti dřeva podél vláken v plastifikovaném stavu. Geometrické i napěťové poměry po tloušťce hranolku při ohybu s pásnicí jsou znázorněny na Obrázku č. 34. Obrázek 34: Geometrické a napěťové poměry po tloušťce s pásnicí ohýbaného hranolku (Eggert, 1995) Základní výpočtové vztahy pro ohýbání hranolků Matematické formulace týkající se původní délky dílce (neutrální osy), zkrácené délky dílce na konkávní straně ohybu a prodloužené délky dílce na konvexní straně ohybu včetně odvození kritéria ohýbatelnosti, tzn. koeficientu ohýbatelnosti, je uvedeno v Samostatné příloze k této práci. Vztah pro původní délku hranolku, tj. neutrální osy v ohnutém hranolku vychází z délky kružnice a úhlu výseče, kterou hranolek vytíná z kruhu Metody ohýbání a) Ohýbání podle formy bez pásnice ruční nebo strojní podle přesně daného tvaru, přičemž volné prodloužení vrstev namáhaných na tah je možné. b) Ohýbání podle formy s pásnicí ruční nebo strojní, přičemž volné prodloužení vrstev namáhaných na tah není možné, důsledkem čehož se vždy mírně zvýší hustota. 59

60 Pro dosažení přesného tvaru ohybu a shodnosti dílců při opakované sériové výrobě je nutné při ohýbání dřeva vždy použít formu (šablonu). Přesnost tvaru a její opakovatelnost je důležitá z pohledu následného konstrukčního opracování a montáže Pomůcky k ohýbání a) Formy (šablony) při ohýbání dřeva se nazývají tvárnice. Tvárnice může být konstruována jako tvarový prvek, na který se hranolek přitlačí, popř. se na něj navíjí nebo jako lisovací desky (matrice a patrice) obvykle s vysokofrekvenčním ohřevem. b) Pásnice jedná se o ocelový pás, který se napíná na vnější stranu ohybu. Je vyroben z nerezového plechu nejčastěji o tl. 0,2 2 mm. Jestliže nejsou pásnice vyrobeny z nekorozivního materiálu, vkládá se mezi pásnici a hranolek vložka (tvrdý papír, dýha, hliníková fólie) nebo je pásnice pogumovaná. Ve vazbě na způsob ohýbání se používá více druhů pásnic. Při ohýbání s použitím pásnice se nejprve plastifikovaný hranolek vloží do pásnice a poté je natvarován podle tvaru tvárnice (Trebula, 1989). c) Svorky a spony používají se k dočasné fixaci vytvořeného ohybu, protože vzniklá deformace není plně plastická a stabilizace ohybu nastává až po úplném odeznění plastifikačních účinků. Hranolek se fixuje buď přímo k tvárnici, nebo se zajistí hranolek s pásnicí a z tvárnice se sejme. Stabilizace hranolků se provádí v zafixovaném stavu. Při ohýbání v tvarovém lisu s vysokofrekvenčním ohřevem probíhá stabilizace po vytvoření ohybu v uzavřeném lisu, dočasnou fixaci zajišťují lisovací desky. Při ohýbání dřeva předlisovaného rovnoběžně s vlákny není nutná dočasná, ale trvalá fixace. Trvalá fixace se provádí připevněním na stabilní podklad (Trávník, 2007). 60

61 3.8.2 Lisování V návaznosti na věcné zaměření této práce bude uvažováno pouze s lisováním masivního dřeva. Z technologického hlediska je možné lisování definovat jako technologický proces, při kterém se tvar dřevěného dílce vytváří plošným nebo lokálním zmenšováním rozměrů základního tvaru v různých anatomických směrech (Chuchrjanskij, 1953). Doprovodným jevem zmenšování rozměrů je růst hustoty dřeva. Klasifikace způsobů lisování dřeva podle vzájemného postavení vnější působící síly a dřevních vláken, počtu současně působících sil a rozložení působících sil je zobrazena na Obrázku č. 35. Konkrétní parametry lisování se značně odlišují podle způsobu lisování, výsledného tvaru dílce, použitého zařízení, apod. Lisování masivního dřeva Rovnoměrné lisování (nulový gradient sil) Nerovnoměrné lisování (nenulový gradient sil) Jednoosé lisování Dvouosé lisování Izostatické (objemové) lisování Jednoosé lisování Dvouosé lisování Kolmo na vlákna Rovnoběžně s vlákny Kolmo na vlákna Ze všech směrů najednou Kolmo na vlákna Kolmo na vlákna Radiální směr Tangenciální směr Současně rad. i tan. směr Radiální směr Tangenciální směr Současně rad. i tan. směr Obrázek 35: Klasifikace způsobů lisování podle postavení vnější působící síly k orientaci dřevních vláken a počtu současně působících sil podle Chuchrjanského (1953) Teorie lisování Rovnoměrné lisování Při rovnoměrném lisování dřeva se ve dřevě pod lisovacími deskami generují jako reakce na vnější síly stejně velká napětí, tj. napětí s nulovým gradientem. Stejně velká napětí mohou ve dřevě při lisování vznikat pouze za předpokladu, že lisovaný povrch je rovinný a rovnoběžný s rovinnými lisovacími deskami. V tomto ohledu se předpokládá, že struktura dřeva je homogenní. S růstem vnější lisovací síly roste velikost napětí ve dřevě, které může až překročit mez pevnosti dřeva. V rámci lisování dřeva se primárně uplatňuje pouze namáhání v tlaku, tudíž důležitá je zejména mez pevnosti v tlaku v příslušném směru lisování. 61

62 Podobně jako u ohýbání se překročení meze pevnosti plastifikovaného dřeva v tlaku obejde do určité míry slisování a za použití pomocných přípravků bez ztráty celistvosti dílce. Při lisování kolmo na vlákna naopak dochází k utlačení (zploštění) anatomických elementů dřeva, což způsobí posun meze pevnosti v tlaku až do vysokých hodnot (třetí fáze pracovního diagramu). Toho se využívá při lisování v praxi, kdy se poměrná deformace při lisování kolmo na vlákna pohybuje kolem 30 až 50 % a při lisování rovnoběžně s vlákny kolem 5 až 20 % z původního rozměru. Paradoxně při lisování může ve dřevě vznikat i napětí tahové, které působí vždy kolmo ke směru lisování. Tato situace může nastat např. při výskytu anomálie ve vnitřní struktuře lisovaného dřeva (suk, lokální odklon vláken, otvor, apod.). V takovém případě se vznikající napětí snaží tuto anomálii struktury obtéct, a tím se může nasměrovat až do kolmé polohy ke směru lisování. Jiným důvodem pro vznik tahových napětí ve dřevě při lisování může být lokální vybočení vláken při lisování rovnoběžně s vlákny, kdy dojde k překročení meze pevnosti v tlaku podél vláken. Nerovnoměrné lisování Nerovnoměrné lisování vyvolává ve vnitřní struktuře dřeva nestejně velká napětí, tj. napětí s nenulovým gradientem. Nestejně velká napětí při lisování dřeva jsou vyvolány buď tvarovaným (nerovinným) lisovaným povrchem v kombinaci s rovinnými lisovacími deskami nebo tvarovanými lisovacími deskami v kombinaci s rovinným lisovaným povrchem, popř. kombinací tvarovaného lisovaného povrchu a tvarovaných lisovacích desek, tvary však nesmí být inverzní, jinak se bude jednat o lisování rovnoměrné. Výsledkem nerovnoměrného lisování prostřednictvím tvarovaných lisovacích desek je dílec s tvarovanými plochami, zatímco při lisování tvarovaných povrchů je výsledkem dílec s rovinnými plochami. Napětí vzniklá ve dřevě se mohou podle tvaru lisovaného povrchu nebo lisovacích desek měnit po délce nebo šířce dílce spojitě (s plynulými nebo skokovými změnami) nebo nespojitě (tvary s ostrým ohraničením), kdy se napětí objevují pouze v některých částech lisované plochy. Nerovnoměrné lisování je specifickým případem, kdy dojde ve dřevě k vývinu tahových napětí kolmých ke směru lisování vždy, zejména při postreliéfování povrchu dřevěného dílce tvarovanými lisovacími deskami. 62

63 Zařízení a pomůcky pro lisování dřeva K lisování dřeva se používají ve většině případů jednoetážové lisy s hydraulickým nebo pneumatickým obvodem pro vývin lisovacích sil. Lisovací desky jsou zpravidla vyhřívané různými médii (přehřátá pára, horká voda, lehký topný olej, apod.), popř. jsou připojeny k VF generátoru a ohřívají materiál dielektrickým ohřevem. Víceetážové lisy se používají např. pro dekorativní tvarování povrchů dílců (postreliéfování). Rovnoměrné jednoosé lisování kolmo na vlákna v radiálním nebo tangenciálním směru se může provádět i pomocí kontinuálních lisů. V tomto případě prochází dřevěný dílec mezi dvěma lisovacími válci. Mezi pomůcky pro lisování dřeva lze řadit různé lisovací nástavce na lisovací desky, které se používají pro nerovnoměrné lisování, dále boční zábrany, které brání vybočení dílce zejména při lisování rovnoběžně s vlákny a různé jednoúčelové přípravky. Trávník (2008) uvádí, že se lisovací nástavce většinou konstruují jako dřevěné prvky s ocelovými lisovacími plechy připevněnými k jejich povrchu. Nástavce pro mělké lisování dekorativních povrchů se vyrábí podle téhož autora z různě silných tvarovaných ocelových plechů Kombinace lisování a ohýbání Jestliže by měla být brána v úvahu skutečnost, že při vytváření ohybu dochází i ke stlačování dílce podél vláken, pak je třeba ohýbání nadřadit lisování, protože zde vystupuje jako kombinace lisování (tlaku), tahu a smyku. Pro praxi však nemá toto rozdělení význam a tvarování ohýbáním a lisováním se uvádí jako dva rovnocenné způsoby tvarování. Z tohoto pohledu lze za kombinovaný technologický proces tvarování dřevěných dílců považovat rovnoměrné jednoosé lisování rovnoběžně s vlákny v kombinaci s následným ohýbáním předstlačeného polotovaru způsobem, kdy ohybová síla působí v kolmém směru k podélné ose dílce. Za kombinovaný způsob tvarování však nelze pokládat ohýbání v tvarovém lisu, protože při odpovídající plasticitě dílce dochází v lisu pouze k ohýbání dílce nikoliv i ke stlačování v jakémkoliv směru. Technologicky podobný proces doplněný o slepení několika vrstev materiálu po tloušťce, však již za kombinovaný způsob tvarování považovat lze. Po vytvoření ohybu (uzavření lisu) se totiž ještě mírně zvýší lisovací síla. Tento proces tvarování dřevěných dílců se v odborné literatuře uvádí jako samostatná technologie tvarování pod názvem lamelování. 63

64 3.9 Stabilizace tvaru Po vytvoření požadovaného tvaru je třeba, aby se dřevu navrátily původní materiálové vlastnosti (zejména jeho pevnostní charakteristiky), tím se nově vzniklý tvar stabilizuje. Snížené pevnostní charakteristiky dřeva by totiž umožnily novou (nežádoucí a stejně snadnou) změnu tvaru při dalším opracování tvarovaného dílce v rámci návazných technologických stupňů a poté i při používání hotového výrobku uživatelem vlivem působení vnějších sil. V návaznosti na skutečnost, že celkové přetvoření tělesa vzniklé při jeho tvarování není plně plastické, a tudíž po vytvoření je tvar dočasně fixován pomocí přípravků, lze konstatovat, že stabilizací se podíly vratné deformace a deformace vratné v čase minimalizují a podíl plastické deformace maximalizuje. Z toho vyplývá, že odezněním plastifikačního účinku se zároveň omezí i vnitřní pnutí v hranolku. Návrat původních materiálových charakteristik je vázán na obnovování původní hustoty vodíkové a esterové sítě vazeb v LS komplexu, resp. na zpětný přechod ligninu do pevného stavu. Obnova původních vazeb, resp. vznik nových vazeb stejného typu je podmíněn odebíráním energie dodané v průběhu plastifikace pro štěpení původních vazeb. Úbytek energie z LS sítě nastává ukončením působení plastifikačních prostředků na dřevo. S úbytkem energie ze struktury BS se taktéž obnovuje původní pevnost vazeb v ligninové síti, což způsobí přechod ligninu zpět do pevného stavu. Působení většiny plastifikačních prostředků obvykle lze ukončit ihned, zatímco jejich plastifikační účinek však vykazuje určitou setrvačnost. Po úplném odeznění plastifikačních účinků vznikají opět vazby o pevnosti srovnatelné s pevností vazeb v nativním dřevě. Stabilizace probíhá u jednotlivých způsobů plastifikace různě. Řízení tohoto procesu se provádí podle složitosti tvaru, rozměrů výrobku, druhu dřeviny, technologie tvarování a zvoleného způsobu plastifikace (Trebula, 1989) Mechanismus stabilizace tvaru po hydrotermické plastifikaci Zpětné zhušťování sítě vodíkových (příčných) vazeb Z výše uvedeného vyplývá, že k zahájení zpětného zhušťování sítě vodíkových vazeb je třeba odebírat ze struktury BS dodanou energii. V případě hydrotermické plastifikace, kdy dochází k řídnutí původní sítě vodíkových vazeb navazováním molekul vody do struktury BS jako plastifikačního prostředku, se uplatňuje přesně 64

65 opačný princip, tzn., že pro zhušťování vodíkové sítě vazeb se musí naopak energie dodávat. Vysvětlení tohoto faktu spočívá v tom, že energie pro rozštěpení původních vazeb se v průběhu plastifikace dodala nepřímo, tzn. v podobě energie uvolňované při navazování molekul vody na sorpční centra ve struktuře BS. Energie takto dodaná se po navázání vyzářila do okolí, čili jako plastifikační prostředek sloužila jen krátce. Plastifikační účinek byl poté zajišťován vlastními molekulami vody prostřednictvím jejich reálného objemu, tudíž mechanicky, tj. oddalováním celulózových fibril od sebe v ligninové matrici. Z toho vyplývá, že k ukončení plastifikačního účinku je třeba molekuly vody ze struktury BS odstranit, tzn. dřevo vysušit, to je možné pouze po dodání energie, která se nenávratně vyzářila do okolí při navazování těchto molekul do struktury BS (Melcer, Melcerová a Vozár, 1990). Molekuly vody nelze ze struktury BS odstranit najednou, jedná se o děj postupný, což se projevuje setrvačností plastifikačního účinku. Z tohoto důvodu je postupný i náběh plastifikačního účinku Zpětné zhušťování sítě kovalentních (esterových) vazeb V případě zpětného zhušťování esterové sítě vazeb platí princip odebírání energie v pravém slova smyslu. Jelikož se energie potřebná k rozštěpení původních esterových vazeb dodávala ve formě tepla, zajišťovala plastifikační účinek přímo. Struktura BS však není z termodynamického pohledu izolovanou soustavou, proto se dodaná energie stále vyzařuje z její struktury do okolí. Tato skutečnost vyvolává při požadavku stálého působení plastifikačního prostředku po požadovanou dobu potřebu neustále energii v průběhu plastifikace dodávat (doplňovat ztráty způsobené neustálým vyzařováním do okolí). Ukončení plastifikačního účinku se tedy dosáhne pouze zastavením přívodu této formy energie do struktury BS, tzn. ochlazením dřeva. Stejně jako plastifikační účinek vody vykazuje i plastifikační účinek tepla jako druhého plastifikačního prostředku při hydrotermické plastifikaci dřeva setrvačnost (Melcer, Melcerová a Vozár, 1990) Zpětný přechod ligninu do pevného stavu Přechod ligninu do viskoelastického až plastického stavu, resp. jeho zpětný přechod do pevného stavu je spjat stejně jako zpětná tvorba esterových vazeb s poklesem 65

66 dodávaného množství energie, tzn. s ochlazováním struktury BS. Přechod do pevného stavu urychluje také snižování vlhkosti při obnově a zpětné tvorbě vodíkových vazeb Řazení dílčích stabilizačních procesů Z výše uvedeného vyplývá, že při stabilizaci tvarovaných dílců po hydrotermické plastifikaci a následném tvarování je třeba zabezpečit dva protichůdné procesy. Pro obnovu esterových vazeb a zpětný přechod ligninu do pevného stavu energii ze struktury BS odebírat (dřevo ochlazovat), zatímco pro obnovu vodíkových vazeb energii dodávat (dřevo vysoušet). Z toho plyne, že tyto procesy nelze realizovat najednou, a tudíž lze stabilizaci tvarovaných dílců klasifikovat jako dvoufázový proces. Z praktického hlediska lze konstatovat, že výhodnější je předřadit proces dodávání energie před proces odebírání energie. Tím, že se dřevu za účelem urychlení obnovy vodíkových vazeb po vytvoření požadovaného tvaru dodává znovu energie ve formě tepla (viz níže), je racionálním krokem předřazení procesu umělého sušení před proces ochlazování. Oba zmíněné procesy obnovy vazeb nelze v praxi oddělovat, jinými slovy navazují automaticky, tudíž je třeba se na ně dívat jako na jeden stabilizační proces. Rozčlenění stabilizačního procesu na jednotlivé fáze je v práci uvedeno jen z důvodu zachování metodického přístupu, který je uplatňován i v jiných kapitolách Podmínky stabilizace po plastifikaci hydrotermickým způsobem Sušení dřevěných tvarovaných dílců Dodávání potřebné energie pro odstranění molekul vody ze struktury BS, tedy proces sušení, může samovolně probíhat při uložení tvarovaných dílců do prostředí s podmínkami odpovídajícími prostředí, ve kterém mělo dřevo původní vlastnosti (T = 20 ± 2 C, RVV = %, tomu odpovídající RVD = 8 ± 2 %), tj. prostředí, ve kterém budou následně i používány výrobky s tvarovanými dílci. Tyto podmínky však zabezpečí dodávání potřebné energie pro odstranění molekul vody ze struktury dřeva v malých dávkách, a tudíž proces obnovy vodíkových (příčných) vazeb bude trvat neúměrně dlouho. Z toho důvodu se podmínky prostředí přechodně upraví tak, aby byla potřebná energie dodávána v co největším možném množství s ohledem na kvalitu procesu sušení. Zvýšení dodávaného množství energie, tedy urychlení ústupu vlhkosti 66

67 ze struktury BS se dosáhne zvýšením teploty vzduchu a snížením relativní vzdušné vlhkosti. Trávník (2007) uvádí, že celkovou dobu stabilizace lze tímto postupem zkrátit na max. 24 hodin při použití nejměkčího režimu sušení. V odborné terminologii se proces záměrného snižování vlhkosti dřeva za definovaných podmínek označuje jako umělé sušení dřeva Parametry sušícího prostředí Parametry sušícího prostředí (teplota vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, tlak vzduchu a rychlost proudění vzduchu) se nastavují zejména podle plochy příčného průřezu tvarovaného dílce, složitosti tvaru, výstupní vlhkosti dřeva po tvarování a dřeviny. Příčný průřez tvarovaného dílce je rozhodujícím faktorem. Vliv zmíněných faktorů na nastavení parametrů sušení je uveden v Tabulce č. 8. Tabulka 7: Parametry sušícího prostředí při stabilizaci tvarů podle Trávníka (2008) a Trebuly (1989) PARAMETR HODNOTA Teplota vzduchu C Relativní vlhkost vzduchu % Tlak vzduchu 101,325 KPa Rychlost proudění vzduchu 0,5 4 m.s -1 Typ sušárny Komorová Tabulka 8: Vliv různých faktorů na nastavení parametrů sušení podle Trávníka (2008) FAKTOR VLIV Plocha příčného průřezu Zvětšení plochy mírnější parametry Složitost tvaru Zvýšení složitosti mírnější parametry Výstupní vlhkost dřeva Vyšší vlhkost mírnější parametry Druh dřeviny Více sesýchavé mírnější parametry Ke stabilizaci tvarovaných dílců je možné použít i ostřejší režimy sušení (vyšší teplota a nižší relativní vlhkost vzduchu) než v případě běžného umělého sušení dřeva, protože struktura dřeva je po hydrotermické plastifikaci narušena a nově vzniklé vazby ještě nemají dostatečnou pevnost, tzn. je umožněno větší pracování dřeva během sušení bez porušení celistvosti. Trávník (2008) uvádí, že pro ustálení tvaru postačuje snížení vlhkosti tvarovaných dílců na hranici %. 67

68 Ochlazování dřevěných tvarovaných dílců Ochlazování dřevěných tvarovaných dílců jako druhá fáze stabilizačního procesu probíhá částečně již v závěru první fáze sušení, kdy se sušené tvarované dílce před vyjmutím ze sušárny ochlazují s cílem zajistit rozdíl mezi teplotou dřeva a teplotou okolí maximálně C, tím se předchází velkým pnutím v dřevěných dílcích vlivem náhlého ochlazování povrchových vrstev, které by mohlo vést až tvorbě vnitřních trhlin. Po vyjmutí ze sušárny probíhá ochlazování dílců v běžných dílenských podmínkách (T = 20 ± 2 C), až dokud se jejich teplota nevyrovná s teplotou okolního prostředí Klimatizace tvarovaných dílců Proces klimatizace tvarovaných dílců slouží pro srovnání vlhkosti a teploty s okolním prostředím v celém průřezu dílce, ale také pro srovnání vlhkosti mezi jednotlivými dílci. Vlivem častého sušení tvarovaných dílců i s přípravky zajišťujícími dočasnou fixaci tvaru není totiž možné dosáhnout během nezbytně nutné doby sušení stejné vlhkosti v celém průřezu hranolků. Klimatizace tvarovaných dílců probíhá při uložení v podmínkách odpovídajících požadované RVD 8 ± 2 %. Někdy se pro urychlení procesu využívá teplot kolem 30 C a RVV %. Celý proces trvá 6 20 dnů. Klimatizace tvarovaných dílců prakticky začíná po jejich vyjmutí ze sušárny. V počáteční fázi klimatizace probíhá ochlazování tvarovaných dílců na teplotu okolního prostředí (asi 2 3 hodiny), po srovnání teplot se tvarované dílce vyjímají z fixačních přípravků a v následující fázi se homogenizuje vlhkost po průřezu dílce i mezi dílci. Platí, že tvarovaný dílec by se neměl dále opracovávat dřív, než bude řádně klimatizován. 68

69 4. Materiál a metodika 4.1 Materiál pro výrobu zkušebních vzorků Východiska pro výběr druhu dřeva Pro experimentální ověření účinku paření v rámci plastifikace dřeva konvekčním ohřevem a mikrovlnného ohřevu v rámci plastifikace dřeva dielektrickým ohřevem je třeba zvolit dřevinu, která bude mít co nejhomogennější strukturu a malý rozptyl vlastností v rámci svého druhu. Tato kritéria výběru dřeviny plynou z požadavku zajistit maximální konstantnost všech okrajových podmínek (faktorů), které by mohly mít vliv na plastifikační účinek vyjma jedné zvolené okrajové podmínky, tj. času plastifikace, která je v návaznosti na cíle práce použita jako optimalizační kritérium plastifikačního procesu. V návaznosti na to se jeví jako nejvhodnější použít na zhotovení zkušebních vzorků radiální řezivo vyrobené z jednoho pilařského výřezu (omezení variability vlastností), které nebude obsahovat vady, resp. bude obsahovat jen takové vady, které bude možno vymanipulovat při výrobě zkušebních vzorků. Neméně významným kritériem pro volbu dřeviny je využitelnost v reálných provozních podmínkách výroby nábytku a ostatních interiérových prvků Reálně použitý materiál V návaznosti na východiska výběru bylo pro výrobu zkušebních vzorků použito dřevo buku (Fagus Sp.) ve formě deskového neomítaného řeziva vysušeného pouze přirozeným sušením na přibližně %. Desky a fošny obsahovaly poměrně hodně radiálního řeziva, což je výhodné pro zajištění speciálně ortotropního charakteru zkušebních těles. Zkušební vzorky byly vyrobeny tak, aby měly minimální odklon vláken od podélné osy (speciálně ortotropní charakter), dále aby neobsahovaly žádné jiné vady (hniloba, suky, trhliny, reakční dřevo, dřeň, kůra, nepravé jádro), které by mohly ovlivnit výsledek měření, tzn. zkreslit skutečný plastifikační účinek. Lokalita růstu dřeva není známa, protože bylo dřevo zakoupeno od prodejce, který vystupoval pouze v roli překupníka. Prodejce sídlí v oblasti Hodonínska. 69

70 4.2 Definice zkušebních vzorků Základní parametry zkušebních vzorků Tabulka 9: Základní parametry zkušebních vzorků ZÁKLADNÍ PARAMETR Druh dřeviny Základní geometrický tvar Tloušťka (tangenciální směr) Šířka (radiální směr) Délka (podélný směr) Příčný průřez Opracování povrchu HODNOTA Buk (Fagus Sp.) Pravoúhlý hranol (kvádr) 20 mm 20 mm 300 mm mm Hoblováno Označení a počty zkušebních vzorků Označení výběrových souborů (skupin) a jejich četnost Tabulka 10: Označení výběrových souborů (skupin) a jejich četnost ZÁKLADNÍ SKUPINA OZNAČENÍ POČET VZORKŮ Vzorky neplastifikované (referenční) R 100 ks Vzorky plastifikované pařením P 100 ks Vzorky plastifikované MW ohřevem M 100 ks Vzorky pro experimentální stanovení doby plastifikace pařením Vzorky pro experimentální stanovení doby plastifikace MW ohřevem EP EM 50 ks 50 ks POČET VZORKŮ CELKEM ks 4.3 Technická zařízení pro výrobu a zkoušení zkušebních vzorků Soupis použitých technologických zařízení pro výrobu a zkoušení zkušebních vzorků včetně jejich specifikace a vyobrazení je uveden v Samostatné příloze k této práci. 70

71 4.4 Rámcový postupp experimentu V návaznosti na cíle definované v úvodu této diplomové práce byl stanoven metodický postup experimentu, na základě kterého se nejprve určí potřebná doba plastifikace pro maximální plastifikační účinek při paření a MW ohřevu. Tyto časy se v druhé části experimentu použijí při vlastní modifikaci zkušebních vzorků pařením v rámci plastifikace konvekčním ohřevem a modifikaci MW ohřevem v rámci plastifikace dielektrickým ohřevem. Zjištěné potřebné časy plastifikace se stejně jako kvantifikované maximální plastifikační účinky u obou analyzovaných způsobů porovnají. Směrný technologický řetězec takto navrženého postupu je zobrazen na Obrázku č. 36. Výroba zkušebních vzorků Měření výchozích parametrů Nastavení vstupních parametrů Měření kritérií plasticity Plastifikace zkušebních vzorků Stanovení času plastifikace Statistické vyhodnocení experimentálních dat Interpretace výsledků (diskuze) Obrázek 36: Rámcový technologický postup realizovaného experimentu Platí pro referenční zkušební vzorky Následující pracovní postupy a parametry příslušných technologických procesů platí shodně pro všechny základní skupiny zkušebních vzorků. Pokud se pracovní postup nebo parametry procesůů pro některou ze základních skupin zkušebních vzorků liší, je uveden samostatně. 71

72 4.4.1 Výroba zkušebních vzorků Pracovní postup při výrobě zkušebních vzorků Tabulka 11: Pracovní postup při výrobě zkušebních vzorků Pozn.: Při výrobě zkušebních vzorků se použije podélně-příčný způsob pořezu řeziva na přířezy. 1. Výběr vhodného řeziva podle zvolených kritérií Vizuálně Rovinné frézování řeziva na přesnou tloušťku (srovnávání jedné plochy + tloušťkování) Podélné rozřezávání řeziva na hrubou šířku (nadmíra 10 mm) bez ohledu na vady Rovinné frézování přířezů na přesnou šířku (srovnávání jedné plochy + tloušťkování) Příčné zkracování přířezů na zkušební vzorky s přesnou délkou s ohledem na vady Srovnávací + tloušťkovací frézka Formátovací kotoučová pila Srovnávací + tloušťkovací frézka Formátovací kotoučová pila Měření výchozích parametrů (hustoty) zkušebních vzorků Pracovní postup při měření výchozích parametrů zkušebních vzorků Pracovní postup při měření výchozích parametrů i výpočtové vztahy (zde neuvedené) byl sestaven na základě technických norem ČSN a ČSN Tabulka 12: Pracovní postup při měření výchozích parametrů zkušebních vzorků 1. Orientační zjištění vstupní vlhkosti zkušebních vzorků a záznam dat do formulářů Podle podmínek dlouhodobého uložení 2. Vysušení zkušebních vzorků na 0 % vlhkosti Viz parametry vysoušení 2a. Nastavení vstupních podmínek pro sušení Ručně 2b. 2c. 2d. 2e. Vložení všech zkušebních vzorků do sušárny a započetí procesu sušení Vlastní sušení zkušebních vzorků po stanovenou dobu Vyjmutí reprezentativních zkušebních vzorků (10 ks) ze sušárny Vážení reprezentativních zkušebních vzorků a záznam dat do formulářů Ručně vhodným způsobem Laboratorní teplovzdušná sušárna Ručně v ochranných rukavicích Digitální laboratorní váha 72

73 2f. 2g. Zpětné vložení reprezentativních zkušebních vzorků do sušárny Vyjmutí reprezentativních zkušebních vzorků ze sušárny Ručně v ochranných rukavicích Ručně v ochranných rukavicích 2h. Vážení reprezentativních zkušebních vzorků a záznam dat do formulářů Digitální laboratorní váha Pozn.: Kroky 2f. až 2h. se opakovaly 3x, dokud se hmotnost reprezentativních zkušebních vzorků neustálila (maximální rozdíl v hmotnosti vzorků při dvou po sobě jdoucích váženích je 0,01 g). 3. Vážení každého absolutně suchého zkušebního vzorku a záznam dat do formulářů Digitální laboratorní váha Měření rozměrů absolutně suchých zkušebních vzorků a záznam dat do formulářů Výpočet průměrné hustoty každého zkušebního vzorku a záznam dat do formulářů Posuvné digitální měřítko Pomocí skriptu v PC Parametry vysoušení zkušebních vzorků Tabulka 13: Parametry vysoušení zkušebních vzorků PARAMETR HODNOTA Vstupní vlhkost zkušebních vzorků 6 7 % Výstupní vlhkost zkušebních vzorků 0 % Vstupní teplota zkušebních vzorků 20 C Teplota sušícího prostředí 103 ± 2 C Rychlost proudění vzduchu do 0,2 m.s -1 Interval pro první vážení 20 h Interval opakovaného vážení 2 h Doba vysoušení 28 hodin 73

74 4.4.3 Nastavení vstupních parametrů (vlhkosti) zkušebních vzorků Pracovní postup při nastavení vstupních parametrů vzorků pro plastifikaci Pracovní postup při nastavování vlhkosti a kontrole aktuálního stavu včetně výpočtových vztahů (zde neuvedených) byl sestaven na základě technické normy ČSN Pro zajištění konstantního vlivu vstupní vlhkosti dřevěných dílců na čas plastifikace a plastifikační kritéria byla zvolena pro oba způsoby plastifikace shodná vstupní vlhkost. Tabulka 14: Pracovní postup při nastavení vstupních parametrů zkušebních vzorků pro plastifikaci 1. Máčení zkušebních vzorků ve vodě Viz parametry máčení 1a. Vložení zkušebních vzorků do vody Plastová nádoba 1b. 1c. 1d. 1e. 1f. 1g. Vyjmutí reprezentativních zkušebních vzorků (10 ks) z vody Vážení reprezentativních zkušebních vzorků a záznam dat do formulářů Výpočet průměrné absolutní vlhkosti zkušebních vzorků a záznam dat do formulářů Zpětné vložení reprezentativních zkušebních vzorků do vody Vyjmutí reprezentativních zkušebních vzorků (10 ks) z vody Vážení reprezentativních zkušebních vzorků a záznam dat do formulářů Ručně Digitální laboratorní váha Pomocí skriptu v PC Ručně Ručně Digitální laboratorní váha 1h. Výpočet průměrné absolutní vlhkosti zkušebních vzorků a záznam dat do formulářů Pomocí skriptu v PC Pozn.: Kroky 1e. až 1h. se opakovaly 9x, dokud vlhkost reprezentativních zkušebních vzorků, nedosáhne požadované vstupní hodnoty. 2. Vážení každého zkušebního vzorku a záznam dat do formulářů Digitální laboratorní váha 3. Výpočet průměrné absolutní vlhkosti každého zkušebního vzorku a záznam dat do formulářů Pomocí skriptu v PC 74

75 Parametry máčení zkušebních vzorků Tabulka 15: Parametry máčení zkušebních vzorků PARAMETR HODNOTA Vstupní vlhkost zkušebních vzorků 0 % Teplota vody 20 C Interval opakovaného vážení cca 24 h a 98 h Doba máčení 502 hodin Pracovní postup při nastavení vstupních parametrů referenčních vzorků Nastavení vstupní vlhkosti pro referenční vzorky se provádělo podle stejného pracovního postupu jako v případě máčení zkušebních vzorků pro plastifikaci, s tím že místo ve vodě byly vzorky uloženy v klimatizační komoře Parametry klimatizace zkušebních vzorků Tabulka 16: Parametry klimatizace zkušebních vzorků PARAMETR HODNOTA Vstupní vlhkost zkušebních vzorků 0 % Výstupní vlhkost zkušebních vzorků 9 10 % Vstupní teplota zkušebních vzorků 20 C Teplota vzduchu v klimatizační komoře 25 ± 2 C Relativní vlhkost vzduchu 55 ± 5 % Rychlost proudění vzduchu do 0,2 m.s -1 Interval opakovaného vážení cca 24 h a 98 h Doba klimatizace 595 hodin Experimentální stanovení potřebné doby plastifikace Z pohledu hydrotermického způsobu plastifikace dřeva se za hlavní indikátory plasticity (mimo mechanických zkoušek) považují vlhkost a teplota dřeva. Jelikož se v praxi většinou využívá přirozené vlhkosti obsažené v rostoucím stromu, lze za dobu plastifikace považovat pouze čas potřebný pro ohřev zkušebních vzorků na požadovanou teplotu v celém průřezu dílce. Hodnota optimální teploty dřeva se odvozuje především od teploty skelného přechodu ligninu významně ovlivněné 75

76 vlhkostí. V podmínkách tohoto experimentu (vstupní vlhkost dřeva 75 %) lze za optimální považovat teplotu 75 C, při které se již lignin chová jako viskoelastický polymer (viz Obr. č. 4). Na základě požadavku teplotní homogennosti v celém průřezu dílce se měřila jak teplota na povrchu dílce, tak v jeho středu. Obě teploty se měřily bezkontaktním infračerveným teploměrem, přičemž před měřením ve středových vrstvách bylo provedeno podélné rozštípnutí zkušebního vzorku. Z toho vyplývá, že na každém zkušebním vzorku bylo možné danou dvojici teplot zjistit pouze jednou. Místem pro měření teploty byl vždy střed dané plochy (prostorové těžiště dřevěného dílce). Pro lepší vypovídací schopnost se budou teploty v daném čase měřit vždy na dvou zkušebních vzorcích. Na základě analýzy křivek ohřevu pro povrchové a středové vrstvy dřevěného dílce byla stanovena doba ohřevu, která se následně použila pro vlastní plastifikaci dřevěných dílců Pracovní postup při experimentálním stanovení doby plastifikace pařením Tabulka 17: Pracovní postup při experimentálním stanovení doby plastifikace pařením 1. Měření vstupní povrchové teploty zkušebního vzorku a záznam dat do formulářů Bezdotykový teploměr s infračerveným paprskem 2. Nastavení vstupních parametrů na pařícím zařízení Viz parametry paření 3. Vkládání zkušebního vzorku do pařícího zařízení na střed průřezu plastifikačního prostoru Ručně na rošt 4. Uzavření a započetí plastifikace Ručně 5. Vlastní ohřev zkušebního vzorku po daný čas Pařící zařízení Ukončení procesu plastifikace a vyjmutí zkušebního vzorku z pařícího zařízení Měření povrchové teploty zkušebního vzorku a záznam dat do formulářů Ručně v ochranných rukavicích Bezdotykový teploměr s infračerveným paprskem 8. Podélné rozštípnutí zkušebního vzorku v polovině Truhlářské dláto 9. Měření středové teploty zkušebního vzorku a záznam dat do formulářů Bezdotykový teploměr s infračerveným paprskem Pozn.: Kroky 2. až 9. se zopakují na potřebném počtu zkušebních vzorků s postupným prodlužováním doby ohřevu. 10. Sestrojení křivky ohřevu pro středové a povrchové vrstvy zkušebního vzorku Ručně nebo pomocí skriptu v PC 76

77 Parametry plastifikace zkušebních vzorků pařením Tabulka 18: Parametry plastifikace zkušebních vzorků pařením PARAMETR HODNOTA Vstupní vlhkost zkušebních vzorků 80 % Vstupní teplota zkušebních vzorků 20 C Výstupní teplota zkušebních vzorků 75 C Relativní vlhkost vzduchu 100 % nasycená vodní pára Teplota páry 100 C Tlak páry 101,325 KPa Rychlost proudění páry 1,5 m.min -1 Interval měření teploty pro stanovení času 1 min Doba zpracování (vyjmutí tvarování) s Doba plastifikace 15 min Pracovní postup při experimentálním stanovení doby plastifikace MW ohřevem Experimentální stanovení doby plastifikace pro MW ohřev se provádělo podle stejného pracovního postupu jako v případě vzorků pro určených pro plastifikaci pařením, rozdílné byly pouze intervaly, ve kterých byla měřena teplota Parametry plastifikace zkušebních vzorků MW ohřevem Tabulka 19: Parametry plastifikace zkušebních vzorků MW ohřevem PARAMETR HODNOTA Vstupní vlhkost zkušebních vzorků 80 % Vstupní teplota zkušebních vzorků 20 C Výstupní teplota zkušebních vzorků 75 C Frekvence EMG záření MHz Režim magnetronů CW (stálá vlna) Vysokofrekvenční výkon W Výkonová hustota 36 kw.m -3 Interval měření teploty pro stanovení času 10 s Doba zpracování (vyjmutí tvarování) s Doba plastifikace (kontinuální) 2,5 min 77

78 4.4.5 Plastifikace zkušebních vzorků Pracovní postup při plastifikaci zkušebních vzorků Plastifikace zkušebních vzorků bude z důvodu minimalizace časového intervalu mezi vyjmutím vzorků z plastifikačního zařízení a měřením kritérií plasticity probíhat po jednom zkušebním vzorku. Vlastní postup plastifikace pařením a MW ohřevem je částečně shodný s postupy pro experimentální stanovení doby plastifikace, resp. s kroky 2. až Parametry plastifikace zkušebních vzorků Parametry jsou uvedeny v Tabulkách č. 18 a Měření kritérií plasticity zkušebních vzorků Pro experimentální ověření plastifikačního účinku se použila mechanická zkouška prostým tříbodým ohybem, při které byla zjištěna jednotlivá kritéria pro kvantifikaci plasticity dílců. Těmito kritérii byly zvoleny mez úměrnosti, mez pevnosti v ohybu, maximální průhyb, sklon lineární části křivky pracovního diagramu (tuhost materiálu) a množství absorbované energie zkušebním vzorkem (práce). Hodnoty těchto kritérií byly získány z napěťově-deformačních charakteristik, tj. analýzou pracovních diagramů. Vlastní kvantifikace plasticity byla provedena srovnáním naměřených kritérií u plastifikovaných a neplastifikovaných (referenčních) zkušebních vzorků. Rovněž průměrná vlhkost a teplota zkušebních vzorků po plastifikaci jsou indikátory plasticity Pracovní postup při měření kritérií plasticity zkušebních vzorků Pracovní postup při měření kritérií plasticity včetně výpočtových vztahů (zde neuvedených) byl sestaven na základě ČSN a ČSN Tabulka 20: Pracovní postup při měření kritérií plasticity zkušebních vzorků 1. Vážení vzorku a záznam dat do formulářů Digitální laboratorní váha 2. Výpočet průměrné absolutní vlhkosti zkušebního vzorku a záznam dat do formulářů Pomocí skriptu v PC 3. Zadání vstupních dat do ovládacího softwaru Ručně a přes USB porty 4. Ohyb vzorku prostým tříbodým ohybem a snímání deformací pomocí pracovního diagramu Univerzální zkušební stroj 78

79 4.4.7 Statistické vyhodnocení experimentálních dat Téměř všechny statistické výsledky byly zpracovány pomocí softwarového programu Statistica verze Pouze číselné výsledky regresních statistik byly zpracovány v programu Microsoft Office Excel verze Zpracování dat v rámci jednoho výběrového souboru (P, R, M, EP, EM) Kontrola normality dat Kontrola shodnosti rozdělení četnosti výběrového souboru s normálním rozdělením byla provedena jak početními, tak grafickými metodami. Z početních metod byl použit Shapiro-Wilksův test, přičemž hladina významnosti byla α = 0,05, tudíž výsledky jsou spolehlivé na 95 %. Pomocnými kritérii pro posouzení normality výběrového rozdělení v rámci početních metod byly také koeficient šikmosti a koeficient špičatosti (uvedeny v Samostatné příloze k této práci). Z grafických metod bylo využito Histogramu a Kvantil-Kvantilových (Q-Q) grafů. V kapitole Výsledky jsou uvedeny výsledky těchto testů v podobě sdělení ANO nebo NE v kolonce Normalita. Číselné výsledky i s grafickými výstupy jsou obsahem Samostatné přílohy k této práci (z pohledu značného rozsahu jsou uvedeny pouze reprezentativně, a to pro hustotu zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu). Výpočet základních statistických charakteristik výběrového souboru Ve výsledcích jsou uvedeny základní statistické charakteristiky jako střední hodnota, dolní a horní hranice intervalu spolehlivosti střední hodnoty pro základní soubor (α = 0,05), medián, minimum, maximum, směrodatná odchylka a variační koeficient. Střední hodnota a hranice intervalu spolehlivosti střední hodnoty jsou momentovými charakteristikami počítanými přímo z hodnot prvků výběrového souboru, a proto jsou silně ovlivněny nenormalitou výběrových dat. Z toho důvodu byly u výběrových souborů s nenormálním rozdělením spočítány až po transformaci (znormálnění) prvotních naměřených dat a poté retransformovány na původní stupnici měřené veličiny. V základních popisných statistikách jsou uvedeny již retransformované hodnoty. K transformaci nenormálních dat byla použita Box-Coxova transformační funkce, přičemž transformační koeficient byl určen pomocí automatického výpočtu zabudovaného do funkce Box-Coxova transformace dat v programu Statistica. 79

80 Zpracování dat více souborů (R P, R M, P M, EP EM) Testy shody středních hodnot výběrových souborů V odborné literatuře jsou označovány jako testy shodnosti rozptylů, toto pojmenování vychází z jejich principu, jsou totiž založeny na srovnávání tzv. efektních a reziduálních rozptylů výběrových souborů (Drápela, 2002). Výsledky testů jsou opět ovlivněny nenormalitou dat, proto byly vyvinuty testy pro normální i nenormální data. Vyjma jednoho případu byly v rámci analýzy výběrových souborů použity neparametrické testy podobnosti výběrových souborů, používané pro nenormální data. Ve všech případech se testovalo na hladině významnosti α = 0,05. Pro ověření shody dvou výběrů byl využit Mann-Whitneyův neparametrický U test, pro testování třech souborů najednou byla využita Kruskal-Wallisova ANOVA a jako následný test mnohonásobného porovnání upravený Tuckeyho HSD test. V jednom případě porovnání třech souborů s normálním rozdělením (mez pevnosti ve statickém ohybu) byla použita klasická parametrická 1-F ANOVA a jako následný test mnohonásobného porovnání Tuckeyho HSD test. Výsledky všech testů shody jsou uvedeny v podobě krabicových grafů, přičemž výsledky mnohonásobného porovnání v případě třech souborů testovaných najednou jsou uvedeny jako schémata s podbarvenými poli Stanovení vlivu hustoty na vybraná kritéria plasticity dřevěných dílců Pro posouzení vlivu hustoty na plasticitu dřevěných dílců byly zvoleny mez pevnosti ve statickém ohybu a maximální deformace (průhyb) zkušebních vzorků. Pro kvantifikaci vlivu hustoty na vybrané kritéria plasticity dřevěných dílců byla využita lineární regresní analýza. Těsnost závislosti byla posuzována podle hodnoty koeficientu korelace a determinace, významnost celého regresního modelu i jeho jednotlivých členů samostatně byla analyzována při hladině významnosti α = 0,05. Výsledky lineární regresní analýzy jsou uvedeny ve formě koeficientů korelace a determinace, dále jako interpretované výsledky testů významnosti regresního modelu jako celku a jeho členů samostatně a v podobě grafů proložených lineárními regresními přímkami s vyobrazením spolehlivostních a predikčních pásů. 80

81 5. Výsledky 5.1 Měření výchozích parametrů zkušebních vzorků Vstupní vlhkost zkušebních vzorků Tabulka 21: Podmínky dlouhodobého uložení zkušebních vzorků a odpovídající RVD PODMÍNKY ULOŽENÍ HODNOTA Teplota vzduchu 22 C Relativní vlhkost vzduchu 36,1 % Doba uložení 60 dní Odpovídající RVD 7 % Obrázek 37: Nomogram pro určení RVD podle Andersona McCarthyho s vyznačením podmínek uložení K výrobě zkušebních vzorků se použilo řezivo vysušené přirozeným způsobem na vlhkost kolem 15 %. Všechny zkušební vzorky byly vyrobeny s minimálním časovým odstupem (v rámci 2 dnů), proto mohly být uloženy ve výše zmíněných podmínkách současně. Na základě této skutečnosti se lze domnívat, že vstupní vlhkost všech zkušebních vzorků byla shodná. 81

82 5.1.2 Hustota zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu Základní popisná statistika Tabulka 22: Základní popisná statistika pro hustotu zkušebních vzorků před modifikací při 0 % vlhkosti HUSTOTA ZKUŠEBNÍCH VZORKŮ PŘED MOD. PŘI 0 % VLHKOSTI DRUH MODIFIKACE POČET VZORKŮ STŘEDNÍ HODNOTA DOLNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI HORNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI MEDIÁN MINIMUM MAXIMUM SMĚRODATNÁ ODCHYLKA VARIAČNÍ KOEFICIENT NORMALITA Paření ,04 640,13 654,13 642,99 584,69 769,59 37,74 5,81 NE MW ohřev ,51 641,45 655,75 644,76 572,91 761,19 37,89 5,82 NE Referenční ,19 639,69 652,84 643,25 583,15 745,74 34,61 5,34 NE Doba paření ,04 635,73 650,55 637,31 598,13 743,08 27,87 4,33 NE Doba ,83 637,72 652,12 640,62 590,93 732,65 26,64 4,12 NE MW ohřev Hodnoty získané pomocí Box-Coxovi transformace z nenormálních hodnot Nejvyšší střední hodnota hustoty v absolutně suchém stavu byla naměřena u souboru zkušebních vzorků určených pro plastifikaci MW ohřevem, naproti tomu nejnižší u souboru zkušebních vzorků určených ke stanovení doby plastifikace pařením. Absolutní rozpětí těchto hodnot však nepřevýšilo 5 kg v metru kubickém. Variační koeficient se pohyboval přibližně kolem 5 %, což je pro dřevěný materiál neobvykle nízká variabilita, ale pro účely tohoto i všech ostatních experimentů výhodné Ověření shodnosti středních hodnot hustoty zkušebních vzorků při 0 % vlhkosti Jelikož se zvyšující hustota dřeva podepisuje na zvyšování pevnostních charakteristik dřeva, a tudíž na snižování jeho plasticity za jinak konstantních podmínek, bylo nezbytné posoudit, zda zjištěný rozdíl středních hodnot hustoty mezi jednotlivými soubory zkušebních vzorků může mít zásadní vliv na později měřená kritéria plasticity dřevěných dílců. Rozdíly se ověřovaly samostatně mezi soubory zkušebních vzorků R, P, M a EP, EM. Důvodem byl jednak rozdílný počet vzorků v souborech a jednak skutečnost, že se soubory EP a EM porovnávají vždy pouze mezi sebou. 82

83 Jak je patrno z Obrázku č. 38 a 39 Kruskal- R R R P R M Wallisova ANOVA neprokázala statisticky významný rozdíl mezi hustotou zkušebních vzorků v souborech R, P a M, tudíž rozdíl v hodnotách P R P P P M kritérií plasticity mezi soubory nebude možné přisuzovat rozdílné hustotě zkušebních vzorků při M R M P M M 0 % vlhkosti. Obrázek 38: Neparametrické vícenásobné porovnání středních hodnot Statisticky nevýznamný rozdíl Statisticky významný rozdíl Hustota v absolutně suchém stavu [kg.m -3 ] Kruskal-Wallisova ANOVA - Krabicový graf Hustota v absolutně suchém stavu Referenční x Paření x MW ohřev Hustota v absolutně suchém stavu: KW-H(2;300) = 0,1991; p = 0,9052 Referenční Paření MW ohřev Následná úprava Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Min-Max Obrázek 39: Kruskal-Wallisova ANOVA - Hustota zkušebních vzorků při 0 % vlhkosti (R P M) Stejný výsledek potvrdil i Mann-Whitneyův U test pro soubory EP a EM (viz. Obrázek č. 40), tzn., že vliv rozdílu hustoty v absolutně suchém stavu mezi soubory může být považován na později měřené veličiny za zanedbatelný. 83

84 Hustota v absolutně suchém stavu [kg.m -3 ] Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Min-Max Mann-Whitneyův U test - Krabicový graf Hustota v absolutně suchém stavu Doba paření x Doba MW ohřev Hustota v absolutně suchém stavu: KW-H(1;100) = 0,3434; p = 0,5579 Doba paření Následná úprava Doba MW ohřev Obrázek 40: Mann-Whitneyův U test - Hustota zkušebních vzorků při 0 % vlhkosti (EP EM) 5.2 Nastavení vstupních parametrů zkušebních vzorků Vstupní vlhkost zkušebních vzorků po úpravě Průběh procesu máčení a klimatizace křivky nasáklivosti a navlhavosti Vlhkost zkušebních vzorků byla zjišťována gravimetricky ve dvou typických intervalech (24 a 98 h). Rychlost nasakování zkušebních vzorků vykazovala logaritmický průběh (viz. Obrázek č. 41). Rychlost přibírání kapalné vlhkosti do struktury dřeva v čase máčení kolem 170 až 180 hodin se blíží k nule, čili od té chvíle přibíraly zkušební vzorky do své struktury již velmi málo vody. Rychlost navlhání zkušebních vzorků měla podobný charakter, avšak přibližně dvakrát menší rychlost, což je pravděpodobně dáno zejména velikostí gradientu vstupní vlhkosti zkušebních vzorků a okolních podmínek při máčení a klimatizaci. Na základě analýzy křivek navlhavosti lze tvrdit, že do času klimatizace přibližně 420 až 430 hodin byla rychlost navlhání téměř konstantní. Sblížení křivek v čase 500 hodin odpovídá záměně horních a spodních roštů v klimatizační komoře, z toho vyplývá, že rozložení vlhkostních parametrů v prostoru klimatizační komory není homogenní. 84

85 Obrázek 41: Úprava absolutní vlhkosti zkušebních vzorků určených pro paření a referenční základnu na požadovanou hodnotu - křivky nasáklivosti a navlhavosti reprezentativních zkušebních vzorků 85

86 Základní popisná statistika Tabulka 23: Základní popisná statistika pro vstupní vlhkost zkušebních vzorků potřebnou pro modifikaci VSTUPNÍ VLHKOST ZKUŠEBNÍCH VZORKŮ PO ÚPRAVĚ DRUH MODIFIKACE POČET VZORKŮ STŘEDNÍ HODNOTA DOLNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI HORNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI MEDIÁN MINIMUM MAXIMUM SMĚRODATNÁ ODCHYLKA VARIAČNÍ KOEFICIENT NORMALITA Paření ,32 79,20 83,44 81,07 62,45 107,51 10,68 13,14 ANO MW ohřev ,07 76,09 80,07 77,95 61,50 97,92 10,02 12,79 NE Referenční 100 9,54 9,47 9,61 9,52 8,78 12,07 0,47 4,87 NE Doba paření 50 73,67 71,08 76,40 74,10 58,58 98,26 9,62 12,90 NE Doba 50 73,90 71,40 76,57 72,69 60,36 93,71 9,46 12,61 NE MW ohřev Hodnoty získané pomocí Box-Coxovi transformace z nenormálních hodnot Ověření shodnosti středních hodnot vstupní vlhkosti zkušebních vzorků po úpravě Rozdíly ve vlhkostech zkušebních vzorků po úpravách, resp. ve vstupních vlhkostech pro následné zpracování byly zjišťovány samostatně pro soubory P, M a EP, EM. Soubor zkušebních vzorků R vystupuje v této fázi experimentu jako samostatný, proto s ním není v testech shodnosti středních hodnot uvažováno. S vědomím, že vlhkost obsažená ve struktuře dřeva je jedním z plastifikačních médií při hydrotermické plastifikaci dřeva, lze považovat vyšetření možného vlivu rozdílů vlhkosti zkušebních vzorků po úpravě mezi soubory na měřená kritéria plasticity za nezbytnost. V případě souborů P a M činil absolutní rozdíl ve středních hodnotách přibližně 3 procentní body, což klasifikoval Mann-Whitneyův U test jako statisticky nevýznamný rozdíl (viz Obrázek č. 42). Podle očekávání dopadla analýza významu rozdílu vlhkosti zkušebních vzorků EP a EM (přibližně 0,3 %) stejným způsobem, tzn., jako statisticky nevýznamná. Variační koeficient se pro soubory P, M, EP a EM pohybuje kolem 12,5 %, v případě klimatizovaných zkušebních vzorků se variabilita souboru pohybuje kolem 5 %. 86

87 Vlhkost po úpravě [%] Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Min-Max Mann-Whitneyův U test - Krabicový graf Vlhkost po úpravě Paření x MW ohřev Vlhkost po úpravě: KW-H(1;200) = 3,4665; p = 0,0626 Paření Následná modifikace MW ohřev Obrázek 42: Mann-Whitneyův U test - Vstupní vlhkost zkušebních vzorků po úpravě (P M) 95 Mann-Whitneyův U test - Krabicový graf Vlhkost po úpravě Doba paření x Doba MW ohřev Vlhkost po úpravě: KW-H(1;100) = 0,0172; p = 0, Vlhkost po úpravě [%] Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Min-Max Doba paření Následná modifikace Doba MW ohřev Obrázek 43: Mann-Whitneyův U test - Vstupní vlhkost zkušebních vzorků po úpravě (EP EM) 87

88 5.3 Stanovení času plastifikace zkušebních vzorků Teplota Obrázek 44: Srovnání křivek ohřevu pro středové a povrchové vrstvy zkušebních vzorků určených k plastifikaci pařením a MW ohřevem (zelená čára značí stanovenou dobu plastifikace) 88

89 Vlhkost Obrázek 45:: Stanovení procentického podílu výstupní vlhkosti ze vstupní vlhkosti ppři paření a MW ohřevu (zelená čára značíí stanovenou dobu plastifikace) 89

90 Z křivek ohřevu je patrno, že konvekční ohřev uplatňující se při paření zkušebních vzorků je výrazně pomalejší (asi 6 krát) než ohřev dielektrický, na jehož principu funguje MW ohřev. Tvar teplotních křivek pro konvekční ohřev se výrazně blíží tvaru, který měly teplotní křivky prezentované jinými autory (viz Distribuce plastifikačního tepla ve struktuře dřeva). Po analýze těchto empirických teplotních křivek a s přihlédnutím k požadované teplotě plastifikace byl pro konkrétní podmínky tohoto experimentu stanoven optimální čas plastifikace pařením na 15 minut. Teplotní křivky pro povrchové a středové vrstvy zkušebních vzorků při MW ohřevu vykazují zpočátku inverzní charakter ve vztahu ke konvekčním křivkám, tzn., že povrchové vrstvy mají v případě MW ohřevu nižší teplotu než vrstvy středové. Ke zvratu tohoto trendu dochází přibližně po 60 sekundách ohřevu. Teplotní křivky a požadavek na plastifikační teplotu determinují čas MW ohřevu pro tento konkrétní experiment na 2,5 minuty. Jak ukazují křivky vlhkostního úbytku (viz Obrázek č. 45), s prodlužováním času plastifikace dochází k úbytku vlhkosti ze struktury dřeva. Křivky vlhkostního úbytku vypovídají o vyšší a zhruba o řád rychlejší ztrátě vlhkosti v průběhu plastifikace zkušebních vzorků MW ohřevem. Po optimální době plastifikace MW ohřevem se vlhkost zkušebních vzorků sníží přibližně na 55 % původního obsahu. Tento rozsah úbytku je přibližně o 25 % vyšší (bráno v absolutním rozdílu) než u paření, kde se po optimální době paření sníží vlhkost asi na 75 % z původního obsahu. 5.4 Plastifikace zkušebních vzorků Vlhkost zkušebních vzorků po plastifikaci Základní popisná statistika Tabulka 24: Základní popisná statistika pro vlhkost zkušebních vzorků po plastifikaci VLHKOST ZKUŠEBNÍCH VZORKŮ PO PLASTIFIKACI DRUH MODIFIKACE POČET VZORKŮ STŘEDNÍ HODNOTA DOLNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI HORNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI MEDIÁN MINIMUM MAXIMUM SMĚRODATNÁ ODCHYLKA VARIAČNÍ KOEFICIENT NORMALITA Paření ,16 63,89 66,42 65,94 44,13 81,89 6,37 9,78 ANO MW ohřev ,03 46,34 49,76 49,23 32,77 68,55 8,64 17,81 NE Hodnoty získané pomocí Box-Coxovi transformace z nenormálních hodnot 90

91 Ověření shodnosti středních hodnot vlhkosti zkušebních vzorků po plastifikaci Střední hodnota vlhkosti zkušebních vzorků po plastifikaci pařením je vyšší (65,16 %) než v případě MW ohřevu (48,03 %), rozdíl mezi nimi činí přibližně 17 % (bráno absolutně). Za zmínku také stojí dvojnásobná variabilita vlhkosti zkušebních vzorků po plastifikaci MW ohřevem (17,81 %) ve srovnání s vlhkostí pařených vzorků. Rozdílnost výstupních vlhkostí byla Mann-Whitneyůvým U testem prokázána jako statisticky významná. 80 Mann-Whitneyův U test - Krabicový graf Vlhkost po plastifikaci Paření x MW ohřev Vlhkost po plastifikaci: KW-H(1;200) = 114,2202; p = Vlhkost po plastifikaci [%] Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Min-Max Paření Způsob modifikace MW ohřev Obrázek 46: Mann-Whitneyův U test - Vlhkost zkušebních vzorků po plastifikaci (P M) 91

92 5.4.2 Hustota zkušebních vzorků po plastifikaci a klimatizaci Základní popisná statistika Tabulka 25: Základní popisná statistika hustoty zkušebních vzorků po plastifikaci a klimatizaci HUSTOTA ZKUŠEBNÍCH VZORKŮ PO PLASTIFIKACI A KLIMATIZACI DRUH MODIFIKACE POČET VZORKŮ STŘEDNÍ HODNOTA DOLNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI HORNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI MEDIÁN MINIMUM MAXIMUM SMĚRODATNÁ ODCHYLKA VARIAČNÍ KOEFICIENT NORMALITA Paření ,15 875,82 888,48 881,00 816,00 947,00 31,92 3,62 ANO MW ohřev ,54 797,56 813,52 808,50 714,00 919,00 40,22 4,99 ANO Referenční ,76 667,22 680,45 670,50 612,00 772,00 34,83 5,15 NE Hodnoty získané pomocí Box-Coxovi transformace z nenormálních hodnot Nejvyšší střední hodnota hustoty zkušebních vzorků po modifikaci byla zjištěna u souboru P (882,15 kg.m -3 ), naopak nejnižší u souboru R (673,76 kg.m -3 ), což je plně poplatný stav aktuálnímu obsahu vlhkosti ve zkušebních vzorcích po modifikaci jednotlivými způsoby, resp. po klimatizaci. Variační koeficienty se drží na příznivé hodnotě kolem 5 %. 5.5 Měření a srovnání kritérií plasticity zkušebních vzorků Mez pevnosti (MOR) zkušebních vzorků ve statickém ohybu Základní popisná statistika Tabulka 26: Základní popisná statistika pro mez pevnosti (MOR) zkušebních vzorků ve statickém ohybu MEZ PEVNOSTI (MOR) ZKUŠEBNÍCH VZORKŮ VE STATICKÉM OHYBU DRUH MODIFIKACE POČET VZORKŮ STŘEDNÍ HODNOTA DOLNÍ INTERVAL SPOLEHLIVOSTI HORNÍ INTERVAL SPOLEHLIVOSTI MEDIÁN MINIMUM MAXIMUM SMĚRODATNÁ ODCHYLKA VARIAČNÍ KOEFICIENT NORMALITA Paření ,17 29,48 30,86 30,44 23,09 39,10 3,46 11,46 ANO MW ohřev ,47 29,74 31,19 30,21 22,33 39,22 3,64 11,94 ANO Referenční ,23 116,36 120,11 118,67 90,88 144,59 9,44 7,99 ANO 92

93 Při měření tohoto kritéria plasticity zkušebních vzorků vykazovala všechna výběrová rozdělení statisticky nevýznamnou odchylku od rozdělení normálního, což umožnilo použití klasické parametrické 1-F ANOVY pro porovnání středních hodnot. Podle předpokladů byla nejvyšší střední hodnota meze pevnosti ve statickém ohybu zjištěna u výběrového souboru referenčních vzorků (118,23 N.mm -2 ). Střední hodnoty platné pro zkušební vzorky plastifikované pařením a MW ohřevem byly výrazně nižší (přibližně 30 N.mm -2 ). Střední hodnoty a mediány vykazovaly u všech souborů téměř shodnou hodnotu, což odpovídá avizovanému normálnímu rozdělení četnosti veličiny v souborech. Variabilita souborů P a M byla asi o 4 % vyšší než variabilita souboru R Ověření shodnosti středních hodnot meze pevnosti (MOR) zkušebních vzorků Střední hodnoty meze pevnosti ve statickém R R R P R M ohybu pro soubory P a M byly přibližně 4x nižší než střední hodnota zjištěná u souboru R, což klasifikoval výsledek 1-F ANOVY a Tukeyova P R P P P M HSD testu jako statisticky velmi významný rozdíl. Naopak rozdíl mezi soubory P a M (0,3 %) je M R M P M M v tomto případě statisticky neprokazatelný (viz. Obrázek č. 47) Obrázek 47: Tukeyův parametrický HSD test (vícenásobné porovnání) Statisticky nevýznamný rozdíl Statisticky významný rozdíl Mez pevnosti ve statickém ohybu [N.mm -2 ] Parametrická ANOVA - Krabicový graf Mez pevnosti ve statickém ohybu Referen ční x P aření x MW ohřev Dekompozice efektivní hypotézy Vertikální sloupce označují 0,95 intervaly spolehlivosti Současný efekt: F(2, 297)=6760,1, p=0,0000 Referenční Paření MW ohřev Způsob modifikace Obrázek 48: Parametrická 1-F ANOVA Mez pevnosti ve statickém ohybu (R P M) 93

94 5.5.2 Tuhost (MOE) zkušebních vzorků Základní popisná statistika Tabulka 27: Základní popisná statistika pro tuhost (MOE) zkušebních vzorků ve statickém ohybu TUHOST (MOE) ZKUŠEBNÍCH VZORKŮ VE STATICKÉM OHYBU DRUH MODIFIKACE POČET VZORKŮ STŘEDNÍ HODNOTA DOLNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI HORNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI MEDIÁN MINIMUM MAXIMUM SMĚRODATNÁ ODCHYLKA VARIAČNÍ KOEFICIENT NORMALITA Paření , , , ,7 942,6 4070,3 587,3 26,7 NE MW ohřev , , , ,2 1070,1 3131,8 547,3 25,4 NE Referenční , , , ,5 8267, ,0 927,8 8,4 ANO Hodnoty získané pomocí Box-Coxovi transformace z nenormálních hodnot Nejvyšší střední hodnota tuhosti (11028,8 N.mm -2 ) byla podle očekávání zjištěna u souboru referenčních zkušebních vzorků. Nejnižší střední hodnotu vykazoval soubor M (2175,26 N.mm -2 ). Jak vyplývá z Tabulky č. 27, po modifikaci zkušebních vzorků se variabilita tuhosti asi trojnásobně zvýšila, konkrétně z asi 8 % na 25 % Ověření shodnosti středních hodnot tuhosti (MOE) zkušebních vzorků Po modifikaci zkušebních vzorků došlo R R R P R M k reálnému poklesu tuhosti zkušebních vzorků přibližně o 9000 N.mm -2. Kruskal-Wallisova ANOVA a Tukeyův upravený HSD test P R P P P M klasifikovaly toto pětinásobné snížení tuhosti po modifikaci zkušebních vzorků jako statisticky M R M P M M významný rozdíl. V případě odlišných středních hodnot mezi soubory P a M se však rozdíl ukázal jako statisticky nevýznamný. Obrázek 49: Neparametrické vícenásobné porovnání středních hodnot Statisticky nevýznamný rozdíl Statisticky významný rozdíl 94

95 14000 Kruskal-Wallisova ANOVA - Krabicový graf Tuhost (MOE) ve statickém ohybu Referenční x Paření x MW ohřev Tuhost ve statickém ohybu: KW-H(2;300) = 199,4275; p = Tuhost ve statickém ohybu [N.mm -2 ] Referenční Paření MW ohřev Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Min-Max Způsob modifikace Obrázek 50: Kruskal-Wallisova ANOVA - Tuhost (MOE) zkušebních vzorků ve stat. ohybu (R P M) Maximální deformace (průhyb) zkušebních vzorků Základní popisná statistika Tabulka 28: Základní popisná statistika pro maximální průhyb zkušebních vzorků ve statickém ohybu MAXIMÁLNÍ PRŮHYB ZKUŠEBNÍCH VZORKŮ VE STATICKÉM OHYBU DRUH MODIFIKACE POČET VZORKŮ STŘEDNÍ HODNOTA DOLNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI HORNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI MEDIÁN MINIMUM MAXIMUM SMĚRODATNÁ ODCHYLKA VARIAČNÍ KOEFICIENT NORMALITA Paření ,45 14,51 16,46 15,78 8,28 29,99 5,29 32,32 NE MW ohřev ,74 15,76 17,78 17,07 8,74 29,99 5,26 30,18 NE Referenční 100 8,97 6,22 13,55 7,45 4,72 11,95 1,29 17,13 NE Hodnoty získané pomocí Box-Coxovi transformace z nenormálních hodnot Nejvyšší střední hodnota maximálního průhybu platí pro soubor M, nejnižší hodnota (asi dvakrát menší) platí pro soubor R. Data jsou značně variabilní (17, resp. 30 %). 95

96 Ověření shodnosti středních hodnot maximální deformace (průhybu) zkušebních vzorků Neparametrické testy označily rozdíl mezi R R R P R M středními hodnotami souborů R, P a R, M jako statisticky významný, naopak rozdíl mezi středními hodnotami souborů P a M se projevil opět jako P R P P P M nevýznamný. V krabicovém grafu Kruskal- Wallisovy ANOVY (viz Obrázek č. 51) je možné M R M P M M pozorovat značnou variabilitu naměřených dat, která je pro soubor P a M asi dvakrát větší než pro soubor R. Obrázek 51: Neparametrické vícenásobné porovnání středních hodnot Statisticky nevýznamný rozdíl Statisticky významný rozdíl Maximální deformace (průhyb) [mm] Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Min-Max Kruskal-Wallisova ANOVA - Krabicový graf Maximální deformace (průhyb) Referenční x Paření x MW ohřev Maximální deformace (průhyb): KW-H(2;300) = 191,7443; p = Referenční Paření MW ohřev Způsob modifikace Obrázek 52: Kruskal-Wallisova ANOVA Maxim. průhyb zkušebních vzorků ve stat. ohybu (R P M) 96

97 5.5.4 Absorbovaná energie zkušebními vzorky Základní popisná statistika Tabulka 29: Základní popisná statistika pro energii absorbovanou zkušebními vzorky při statickém ohybu ABSORBOVANÁ ENERGIE ZKUŠEBNÍMI VZORKY PŘI STATIC. OHYBU DRUH MODIFIKACE POČET VZORKŮ STŘEDNÍ HODNOTA DOLNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI HORNÍ HRANICE INTERVALU SPOLEHLIVOSTI MEDIÁN MINIMUM MAXIMUM SMĚRODATNÁ ODCHYLKA VARIAČNÍ KOEFICIENT NORMALITA Paření ,5 8733, ,4 9010,5 3977, ,9 4241,0 41,0 NE MW ohřev ,4 9694, , ,1 3896, ,7 4185,6 38,1 NE Referenční , , , ,8 5697, ,2 3340,5 26,6 NE Hodnoty získané pomocí Box-Coxovi transformace z nenormálních hodnot Nejvyšší střední hodnota byla zjištěna u souboru R (12216,8 N.mm), nejnižší u souboru P (9462,5 N.mm). V tomto případě bylo očekávání nenaplněno, předpokladem pro změnu tohoto parametru po plastifikaci bylo zvýšení absorbovaného množství energie zkušebními vzorky při statickém ohybu. Variační koeficienty jsou pro tento parametr plasticity nejvyšší, pohybují se od 26 do 41 % Ověření shodnosti středních hodnot energie absorbované zkušebními vzorky při statickém ohybu Jak je zmíněno výše došlo po plastifikaci R R R P R M zkušebních vzorků k nepřepokládanému poklesu množství absorbované energie, který byl podle výsledků Kruskal-Wallisovy ANOVY a Tuckeyho P R P P P M upraveného HSD testu statisticky významný. Rozdíl mezi středními hodnotami souborů P a M byl M R M P M M klasifikován jako nevýznamný. Obrázek 53: Neparametrické vícenásobné porovnání středních hodnot Statisticky nevýznamný rozdíl Statisticky významný rozdíl 97

98 Absorbovaná energie [N.mm] Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. Min-Max Kruskal-Wallisova ANOVA - Krabicový graf Absorbovaná energie Referenční x Paření x MW ohřev Absorbovaná energie: KW-H(2;300) = 19,5627; p = 0,00006 Referenční Paření MW ohřev Způsob modifikace Obrázek 54: Kruskal-Wallisova ANOVA - Absorbovaná energie zkuš. vzorky při stat. ohybu (R P M) 5.6 Souhrnné vyhodnocení experimentálních dat Naměřená data jsou souhrnně vyhodnocena ze dvou hledisek. Nejprve jsou vyhodnocena z pohledu kvantifikace změn modifikovaných zkušebních vzorků oproti vzorkům nemodifikovaným (viz Tabulka č. 30 a Obrázek č. 55). Z výsledků experimentu je patrné, že plastifikace zkušebních vzorků byla podnětem pro věcně i statisticky významné změny ve struktuře dřeva, přičemž rozdíl mezi výsledky pro analyzované technologie plastifikace dřeva je vždy nevýznamný. Nejvyšších změn bylo dosaženo v případě tuhosti (MOE) ve statickém ohybu, přičemž se hodnota této materiálové vlastnosti snížila přibližně 5x. Nejmenší změny v posuzovaných plastifikačních kritériích bylo dosaženo u množství absorbované energie zkušebními vzorky při statickém ohybu, změna nebyla ani jeden a půl násobná. Druhým hlediskem pro vyhodnocení naměřených dat bylo vzájemné postavení dvou modifikovaných souborů zkušebních vzorků (P a M) a jejich výhodnost pro další zpracování (viz Obrázek č. 56). V celkovém souhrnu se z tohoto pohledu jeví jako výhodnější plastifikace zkušebních vzorků MW ohřevem. 98

99 Tabulka 30: Souhrnné vyhodnocení paření a MW ohřevu z pohledu změn materiálových vlastností PARAMETR Mez pevnosti (MOR) ve statickém ohybu Tuhost (MOE) ve statickém ohybu NEMODIFIKOVANÉ VZORKY (R VZORKY) 118 [N.mm -2 ] [N.mm -2 ] MODIFIKOVANÉ VZORKY (P, M VZORKY) 30 [N.mm -2 ] [N.mm -2 ] ZMĚNA 3,9 x 5 x Maximální průhyb 9 [mm] 16 [mm] 1,7 x Absorbovaná energie [N.mm] [N.mm] 1,2 x Hodnota uváděné u modifikovaných zkušebních vzorků jsou brány jako průměr středních hodnot pro zkušební vzorky pařené a plastifikované MW ohřevem. Vzájemné poměry parametrů u modifikovaných a nemodifikovaných zkušebních vzorků je možné pozorovat i na Obrázku č. 56. Obrázek 55: Srovnání pracovních diagramů pro prostý tříbodý ohyb různě modifikovaných zkušebních vzorků 99

100 Legenda: Příznivější z pohledu technologie procesu a plasticity PLASTIFIKACE DŘEVA Příznivější z pohledu technologie procesu a plasticity = Statisticky významný rozdíl Statisticky nevýznamný rozdíl PAŘENÍ MW OHŘEV DOBA PLASTIFIKACE 15 [min] 2,5 [min] VLHKOST PO PLASTIFIKACI 65,16 [%] 48,03 [%] MEZ PEVNOSTI (MOR) VE STATICKÉM OHYBU 30,17 [N.mm -2 ] = 30,47 [N.mm -2 ] TUHOST (MOE) VE STATICKÉM OHYBU 2215,87 [N.mm -2 ] = 2175,26 [N.mm -2 ] MAXIMÁLNÍ PRŮHYB 15,45 [mm] = 16,74 [mm] ABSORBOVANÁ ENERGIE 9462,5 [N.mm] = 10497,4 [N.mm] Obrázek 56: Souhrnné vyhodnocení analyzovaných způsobů plastifikace z pohledu experimentálně ověřovaných kritérií 100

101 5.7 Vliv hustoty na vybraná kritéria plasticity dřevěných dílců Vliv hustoty na mez pevnosti ve statickém ohybu Hustota v absolutně suchém stavu Mez pevnosti ve statickém ohybu Tabulka 31: Lineární regresní analýza vlivu hustoty při 0 % vlhkosti na mez pevnosti zkušebních vzorků ve statickém ohybu DRUH MODIFIKACE Referenční Paření MW ohřev POČET VZORKŮ KOEFICIENT KORELACE 0,38 0,29 0,20 KOEFICIENT DETERMINACE 0,15 0,08 0,04 VÝZNAMNOST REGRESNÍHO MODELU VÝZNAMNOST ABSOLUTNÍHO ČLENU VÝZNAMNOST REGRESNÍHO PARAMETRU ANO ANO NE ANO ANO ANO ANO ANO NE 150 Lineární regresní model - Bodový graf Mez pevnosti (MOR) x Hustota v absolutně suchém stavu Referenční vzorky Mez pevnosti ve statickém ohybu [N.mm -2 ] y = 50, ,104*x r = 0,3814; p = 0,00009; r 2 = 0, Hustota v absolutně suchém stavu [kg.m -3 ] Obrázek 57: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu referenční zkušební vzorky 101

102 40 Lineární regresní model - Bodový graf Mez pevnosti (MOR) x Hustota v absolutně suchém stavu Paření Mez pevnosti ve statickém ohybu [N.mm -2 ] y = 13, ,0263*x r = 0,2865; p = 0,0038; r 2 = 0, Hustota v absolutně suchém stavu [kg.m -3 ] Obrázek 58: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu pařené zkušební vzorky 40 Lineární regresní model - Bodový graf Mez pevnosti (MOR) x Hustota v absolutně suchém stavu MW ohřev Mez pevnosti ve statickém ohybu [N.mm -2 ] y = 18, ,0188*x r = 0,1958; p = 0,0509; r 2 = 0, Hustota v absolutn ě suchém stavu [kg.m -3 ] Obrázek 59: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu MW ohřívané zkušební vzorky 102

103 Nejtěsnější korelační vztah (R = 0,4) mezi hustotou zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu a mezí pevnosti ve statickém ohybu byl zjištěn u souboru referenčních zkušebních vzorků, naopak nejméně těsná závislost (R = 0,2) se vyskytla u souboru MW ohřívaných zkušebních vzorků. Celkově však hodnoty korelačních koeficientů vypovídají o slabé pozitivní závislosti posuzovaných veličin. Prezentované lineární regresní modely jsou statisticky významné pouze pro soubory R a P. U těchto souborů zkušebních vzorků určila regresní analýza jako statisticky významné i oba členy regresních modelů, tj. absolutní i regresní člen. V případě souboru M lze na základě výsledků testování významnosti modelu a jeho členů konstatovat, že použití navrženého regresního modelu by významně nezpřesnilo odhad korelované veličiny (meze pevnosti ve statickém ohybu) oproti použití aritmetického průměru. Podíl celkové variability meze pevnosti vysvětlený modelem je pouze 4 %. Jelikož mají regresní členy všech uváděných regresních modelů kladné znaménka lze tvrdit, že ve všech případech se jedná o pozitivní korelace, tudíž s rostoucí hustotou zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu roste jejich mez pevnosti po plastifikaci, příp. klimatizaci Hustota po plastifikaci Mez pevnosti ve statickém ohybu Tabulka 32: Lineární regresní analýza vlivu hustoty po plastifikaci (klimatizaci) na mez pevnosti zkušebních vzorků ve statickém ohybu DRUH MODIFIKACE Referenční Paření MW ohřev POČET VZORKŮ KOEFICIENT KORELACE 0,40 0,32 0,21 KOEFICIENT DETERMINACE 0,16 0,10 0,05 VÝZNAMNOST REGRESNÍHO MODELU VÝZNAMNOST ABSOLUTNÍHO ČLENU VÝZNAMNOST REGRESNÍHO PARAMETRU ANO ANO ANO ANO NE ANO ANO ANO ANO 103

104 Lineární regresní model - Bodový graf Mez pevnosti ve statickém ohybu (MOR) x Hustota po plastifikaci 150 Referenční Mez pevnosti ve statickém ohybu [N.mm -2 ] y = 44,7592-0,1087*x r = 0,4011; p = 0,0000; r 2 = 0, Hustota po plastifikaci [kg.m -3 ] Obrázek 60: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě Lineární regresní model - Bodový graf Mez pevnosti ve statickém ohybu (MOR) x Hustota po plastifikaci 40 zkušebních vzorků po plastifikaci referenční zkušební vzorky Paření Mez pevnosti ve statickém ohybu [N.mm -2 ] y = 0, ,0341*x r = 0,3152; p = 0,0014; r 2 = 0, Hustota po plastifikaci [kg.m -3 ] Obrázek 61: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků po plastifikaci pařené zkušební vzorky 104

105 Lineární regresní model - Bodový graf Mez pevnosti ve statickém ohybu (MOR) x Hustota po plastifikaci 40 MW ohřev Mez pevnosti ve statickém ohybu [N.mm -2 ] y = 14, ,0193*x 20 r = 0,2133; p = 0,0331; r 2 = 0, Hustota po plastifikaci [kg.m -3 ] Obrázek 62: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků po plastifikaci MW ohřívané zkušební vzorky Největší koeficient korelace (R = 0,4) mezi hustotou po plastifikaci a mezí pevnosti ve statickém ohybu byl zjištěn pro referenční zkušební vzorky, nejslabší závislost (R = 0,2) na hustotě po plastifikaci vykazují zkušební vzorky plastifikované MW ohřevem. Část celkové variability meze pevnosti ve statickém ohybu vysvětlená modelem (vlivem hustoty zkušebních vzorků po plastifikaci) byla u souboru R stanovena na (R 2 = 0,16), u souboru M to bylo pouze (R 2 = 0,04), tzn., že regresní model objasňuje pouze 4 % z celkové variability dat. Testování významnosti regresních modelů jako celku prokázalo statistickou významnost pro všechny tři soubory zkušebních vzorků (R, P, M). Taktéž regresní parametr byl u všech modelů významný. Pro soubory R a M se prokázal jako statisticky významný i absolutní člen regresních modelů. U zkušebních vzorků modifikovaných pařením je možné absolutní člen pro jeho nevýznamnost z modelu vynechat. 105

106 5.7.2 Vliv hustoty na maximální deformaci (průhyb) Hustota v absolutně suchém stavu Maximální deformace (průhyb) ve statickém ohybu Tabulka 33: Lineární regresní analýza vlivu hustoty v absolutně suchém stavu na maximální průhyb zkušebních vzorků ve statickém ohybu DRUH MODIFIKACE Referenční Paření MW ohřev POČET VZORKŮ KOEFICIENT KORELACE 0,04 0,22 0,04 KOEFICIENT DETERMINACE 0,002 0,05 0,001 VÝZNAMNOST REGRESNÍHO MODELU VÝZNAMNOST ABSOLUTNÍHO ČLENU VÝZNAMNOST REGRESNÍHO PARAMETRU NE ANO NE ANO ANO ANO NE ANO NE Lineární regresní model - Bodový graf Maximální deformace (průhyb) x Hustota v absolutně suchém stavu Referenční y = 6, ,0015*x r = 0,0391; p = 0,6995; r 2 = 0,0015 Maximální deformace (průhyb) [mm] Hustota v absolutně suchém stavu [kg.m -3 ] Obrázek 63: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu referenční zkušební vzorky 106

107 Maximální deformace (průhyb) [mm] Lineární regresní model - Bodový graf Maximální deformace (průhyb) x Hustota v absolutně suchém stavu Paření Hustota v absolutně suchém stavu [kg.m -3 ] y = 36,0557-0,0303*x r = -0,2164; p = 0,0306; r 2 = 0,0468 Obrázek 64: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu pařené zkušební vzorky Maximální deformace (průhyb) [mm] Lineární regresní model - Bodový graf Maximální deformace (průhyb) x Hustota v absolutně suchém stavu MW ohřev Hustota v absolutně suchém stavu [kg.m -3 ] 107 y = 20,818-0,0052*x r = -0,0376; p = 0,7104; r 2 = 0,0014 Obrázek 65: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu MW ohřívané zkušební vzorky

108 Při posuzování vlivu hustoty při 0 % vlhkosti na maximální deformaci zkušebních vzorků při statickém ohybu se nejtěsnější závislost (R = 0,22) prokázala u souboru zkušebních vzorků plastifikovaných pařením. U tohoto souboru se také prokázala významnost regresního modelu jako celku i jeho parametrů samostatně. U souborů R a M byla zjištěna pouze velmi malá těsnost závislosti (R = 0,04) shodně pro oba soubory. Nepoužitelnost regresních modelů pro tyto soubory potvrzují také výsledky testů významnosti (viz Tabulka č. 33). Regresní parametr regresního modelu pro pařené zkušební vzorky ukazuje na negativní korelaci, tzn., že s rostoucí hustotou zkušebních vzorků při 0 % vlhkosti se bude maximální průhyb zmenšovat Hustota po plastifikaci Maximální deformace (průhyb) ve statickém ohybu Tabulka 34: Lineární regresní analýza vlivu hustoty po plastifikaci na maximální průhyb zkušebních vzorků ve statickém ohybu DRUH MODIFIKACE Referenční Paření MW ohřev POČET VZORKŮ KOEFICIENT KORELACE 0,004 0,04 0,34 KOEFICIENT DETERMINACE 0, ,002 0,12 VÝZNAMNOST REGRESNÍHO MODELU VÝZNAMNOST ABSOLUTNÍHO ČLENU VÝZNAMNOST REGRESNÍHO PARAMETRU NE NE ANO ANO NE NE NE NE ANO Jak je patrno z Tabulky č. 34, největší vliv na maximální deformaci (průhyb) má hustota po plastifikaci u zkušebních vzorků plastifikovaných MW ohřevem. Nejmenší těsnost závislosti průhybu na hustotě zkušebních vzorků po plastifikaci, resp. klimatizaci byla zaznamenána u souboru referenčních zkušebních vzorků. Po otestování statistické významnosti regresních modelů se ukázalo, že regresní model pro soubor pařených zkušebních vzorků přispěje za předpokladu vynechání absolutního členu z regresní rovnice k lepší predikci hodnot maximální deformace zkušebních vzorků na základě jejich hustoty po plastifikaci významným způsobem. 108

109 13 12 Lineární regresní model - Bodový graf Maximální deformace (průhyb) x Hustota po plastifikaci Referenční y = 7, ,0001*x r = 0,0040; p = 0,9688; r 2 = 0,0000 Maximální deformace (průhyb) [mm] Hustota po plastifikaci [kg.m -3 ] Obrázek 66: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků po plastifikaci referenční zkušební vzorky 30 Lineární regresní model - Bodový graf Maximální deformace (průhyb) x Hustota po plastifikaci Paření Maximální deformace (průhyb) [mm] y = 9, ,0072*x r = 0,0436; p = 0,6669; r 2 = 0, Hustota po plastifikaci [kg.m -3 ] Obrázek 67: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků po plastifikaci pařené zkušební vzorky 109

110 Maximální deformace (průhyb) [mm] Lineární regresní model - Bodový graf Maximální deformace (průhyb) x Hustota po plastifikaci MW ohřev 8 y = -18, ,0451*x 6 r = 0,3447; p = 0,0004; r 2 = 0, Hustota po plastifikaci [kg.m -3 ] Obrázek 68: Lineární regresní model pro závislost meze pevnosti ve statickém ohybu na hustotě zkušebních vzorků po plastifikaci MW ohřívané zkušební vzorky 110

111 5.8 Plasticita dílců v reálném vyobrazení Obrázek 69: Detail počínajícího porušení tahových vrstev zkušebního vzorku lomem Obrázek 70: Detail poukazující na zkondenzovanou páru unikající z ohřátého zkušebního vzorku při jeho ohýbání 111