MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nauky o dřevě BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Fyzikální a mechanické vlastnosti reakčního dřeva Brno 2012 Navrátil Zdeněk

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Fyzikální a mechanické vlastnosti reakčního dřeva zpracoval sám a uvedl všechny použité zdroje. Souhlasím, aby moje bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU 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: 9. Května 2006 Zdeněk Navrátil

Poděkování Za cenné připomínky a rady při zpracování mé bakalářské práce bych chtěl poděkovat mému vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Janu Tippnerovi, Ph.D. Poděkovat bych chtěl také své rodině, přátelům a všem vyučujícím, kteří mě během celého studia podporovali a provázeli.

ABSTRAKT Zdeněk Navrátil: Fyzikální a mechanické vlastnosti reakčního dřeva. Bakalářská práce. Mendelova univerzita v Brně, 2012. 43 stran Bakalářské práce se zabývá stavbou a vybranými vlastnostmi reakčního dřeva různých druhů dřev. Z jehličnatých dřevin to jsou zejména: smrk ztepilý (Picea abies /L./ Karst), borovice lesní (Pinus strobus /L./ Karst.). Z listnatých dřevin to jsou: buk lesní (Fagus silvatica /L./ Krast.), dub letní (Quercus robur /L./ Krast.) a topol černý (Populus nigra /L./ Krast.). Práce popisuje vybrané vlastnosti reakčního dřeva a porovnává je se dřevem normálním. Popisovanými fyzikálními vlastnostmi reakčního dřeva jsou: propustnost, bobtnání a sesychání, hustota a optické vlastnosti. Popisovanými mechanickými vlastnostmi tlakového dřeva jsou: pevnost dřeva v tlaku podél vláken a modul pružnosti. Klíčová slova: reakční dřevo, tlakové dřevo, tahové dřevo, smrk, borovice, buk, dub, topol. ABSTARCT Zdeněk Navrátil: The physical and mechanical properties of reaction wood. Bachelor thesis. Mendel University in Brno, 2012. Bachelor thesis discusses structure and selected properties of reaction wood of different kinds of wood. It deals mainly with these coniferous trees: Spruce (Picea abies /L./ Karst), Pine (Pinus strobus /L./ Karst.) and these deciduous trees: Beech (Fagus silvatica /L./ Krast.), Oak (Quercus robur /L./ Krast.) and Poplar (Populus nigra /L./ Krast.). The thesis describes selected properties of reaction wood and compares them with properties of normal wood. The described physical properties of reaction wood: permeability, swelling and shrinkage, density and optical properties. The described mechanical properties of compression wood: compression strength of wood along the grains and Young s modulus of elasticity. Keywords: reaction wood, compression wood, tension wood, Spruce, Pine, Beech, Oak, Poplar.

SEZNAM ZKRATEK RW reakční dřevo (reakcion wood) CW tlakové dřevo (compression wood) TW tahové dřevo (tension wood) NW normální dřevo, jehličnaté i listnaté podle konkrétního tématu (normal wood) OW dřevo na protilehlé straně k reakčnímu dřevu ze stejného kmene (oposite wood) MFA úhel mikrofibril MH mez hygroskopicity MNBS mez nasycení buněčných stěn CML střední lamela P primární stěna S sekundární buněčná stěna G želatinová vrstva

OBSAH 1 ÚVOD... 8 2 CÍL PRÁCE... 9 3 METODIKA... 10 4 VÝSLEDKY A DISKUZE FYZIKÁLNÍ A MECHANICKÉ VLASTNOSTI REAKČNÍHO DŘEVA... 11 4.1.1 TLAKOVÉ DŘEVO... 11 4.1.2 TAHOVÉ DŘEVO... 11 4.2 MAKROSKOPICKÁ STAVBA... 11 4.2.1 MAKROSKOPICKÁ STAVBA DŘEVA... 11 4.2.2 MAKROSKOPICKÁ STAVBA REAKČNÍHO DŘEVA... 12 4.3 MIKROSKOPICKÁ STAVBA... 14 4.3.1 MIKROSKOPICKÁ STAVBA DŘEVA... 14 4.3.2 MIKROSKOPICKÁ STAVBA REAKČNÍHO DŘEVA... 15 4.4 SUBMIKROSKOPICKÁ STAVBA... 18 4.4.1 SUBMIKROSKOPICKÁ STAVBA DŘEVA... 18 4.4.2 SUBMIKROSKOPICKÁ STAVBA REAKČNÍHO DŘEVA... 18 4.5 CHEMICKÉ SLOŽENÍ... 19 4.5.1 CHEMICKÉ SLOŽENÍ DŘEVA... 19 4.5.2 CHEMICKÉ SLOŽENÍ REAKČNÍHO DŘEVA... 20 4.6 FÁZE TLAKOVÉHO DŘEVA... 21 4.6.1 ZKOUMANÉ VLASTNOSTI... 21 4.6.2 ROZVINUTÍ TLAKOVÉHO DŘEVA... 24 4.7 FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI REAKČNÍHO DŘEVA... 25 4.7.1 VLHKOST... 25 4.7.2 POHYB VODY V TLAKOVÉM DŘEVĚ... 25 4.7.3 BOBTNÁNÍ, SESYCHÁNÍ A ROZMĚROVÉ ZMĚNY... 28 4.7.4 HUSTOTA... 32 4.7.5 OPTICKÉ VLASTNOSTI... 37 4.8 MECHANICKÉ VLASTNOSTI TLAKOVÉHO DŘEVA... 39 4.8.1 TLAK PODÉL VLÁKEN... 39 4.8.2 MODUL PRUŽNOSTI VE SMĚRU VLÁKEN... 40 5 ZÁVĚR... 43 6 LITERÁRNÍ ZDROJE... 46 7

1 ÚVOD Vzpřímený růst je pro stromy přirozený stav. Pokud je tento stav narušen, strom vytváří speciální dřevo. Dřevo, které slouží k vyrovnání stromu zpět do svislé polohy není-li odklon příliš velký, nebo ke stabilizaci stromu a zamezení jeho dalšího odklonu. Toto speciální dřevo je známo pod názvem reakční dřevo. Kambium reaguje na rozdílná pnutí po průřezu kmene a urychlí kambiální růst buněk. U jehličnatých dřev se reakční dřevo vytváří na spodní straně namáhaných kmenů a větví, zatímco u listnatých dřev k tomu dojde na horní straně namáhaných kmenů a větví. U jehličnatých dřev se proto nazývá dřevo tlakové a u listnatých je to dřevo tahové (Bamber, 2001). Reakční dřevo má několik příčin svého vzniku: Sníh působí na stromy svoji váhou, ohýbá je a v některých případech se po roztátí sněhu strom nevrátí do svislé polohy. V průběhu vegetačního období se tvoří reakční dřevo, které se snaží strom vyrovnat (Gryc, 2005). Vítr a jeho jednostranné namáhání okrajových částí porostu, je příznivým faktorem ke vzniku reakčního dřeva. Také větve rostoucí na závětrné straně se ohýbají a vytváří tak jednostrannou korunu. To vede k tvorbě reakčního dřeva (Horáček et al., 2009). Sesuv vrchních půd způsobí obloukovité zakřivení kmenů. Při sesuvu se může strom částečně naklonit nebo úplně položit. Při úplném položení se celý strom už niky nenarovná, jen vrchní část stromu se snaží dostat do vzpřímené polohy (Pillow, 1962). Světlo a jeho působení je také důležitý faktor při vzniku reakčního dřeva. Po kácení stromů vzniká nový prostor pro zaplnění větvovím. Stromy na okraji tohoto průseku se začnou svými větvemi tlačit do volného prostoru. Vzniká jednostranná koruna, výstřednost a tím RW (Timell, 1986). Reakční dřevo se tvoří nejvíce u mladých stromů. Jelikož jejich kmen stále není staticky zpevněn, je mnoho nepříznivých vlivů, které i malým působením ohýbají mladý strom. Okamžitě se tvoří reakční dřevo. S přibývajícím věkem a šířkou kmene stoupá jeho statická pevnost a tím se omezují příčiny vzniku reakčního dřeva (Warensjö, 2003). 8

2 CÍL PRÁCE Cílem práce bylo popsat vybrané vlastnosti reakčního dřeva. Reakční dřevo (RW) se dělí podle výskytu na dřevo tlakové (CW) a dřevo tahové (TW). Tato abnormální dřeva mají jiné složení a jiné vlastnosti. U obou druhů dřev byly popsány vybrané fyzikální vlastnosti a u tlakového dřeva i vlastnosti mechanické. Tyto vlastnosti byly porovnány s dřevem normálním a mezi sebou navzájem. Popisované jehličnaté dřeviny jsou zejména: smrk ztepilý (Picea abies /L./ Karst), borovice lesní (Pinus strobus /L./ Karst.). Z listnatých dřevin to jsou: buk lesní (Fagus silvatica /L./ Krast.), dub letní (Quercus robur /L./ Krast.) a topol černý (Populus nigra /L./ Krast.). Uvedené dřeviny byly vybrány z důvodu častého výskytu v českých porostech a širokého uplatnění v dřevařském a stavebním průmyslu. Popisované fyzikální vlastnosti reakčního dřeva jsou: propustnost, bobtnání a sesychání, rozměrové změny, hustota a optické vlastnosti. Popisované mechanické vlastnosti tlakového dřeva jsou: pevnost dřeva v tlaku podél vláken a modul pružnosti. Bakalářská práce na téma Fyzikální a mechanické vlastnosti reakčního dřeva je zaměřena převážně na reakční dřevo jehličnatých dřev, čili dřevo tlakové. Je to z důvodu častějšího výskytu v praxi, dostupnosti literárních zdrojů a mého zvýšeného zájmu o tento typ dřeva. 9

3 METODIKA Práce je zpracována jako kompilace. Používanými zdroji jsou vědecké články, odborné monografie, diplomové a disertační práce zapůjčené převážně v knihovně Ústavu nauky o dřevě Mendelovy univerzity v Brně. Základním zdrojem informací jsou články publikované v renomovaných internetových/elektronických databázích, jako je například WEB OF KNOWLEDGE nebo SCOPUS. Tyto rozcestníky odkazovaly na konkrétní umístění jednotlivých prací (článků). Nejpoužívanějšími databázemi byly: SPRINGERLINK, IAWA JOURNAL, JOURNAL OF WOOD SCIENCE, WOOD SCIENCE AND TECHNOLOGY, SCIENCE a FORESTRY. Z těchto článků byly překládány a analyzovány informace, které jsou syntetizovány do souvislého kontextu. Z určitých prací byly převzaty obrázky a grafy, které přímo souvisejí s touto prací. Zjištěné údaje a hodnoty jsou dále porovnávány a publikovány ve formě přehledných tabulek a grafů. Citace byly generovány pomocí programu MENDELEY. 10

4 VÝSLEDKY A DISKUZE FYZIKÁLNÍ A MECHANICKÉ VLASTNOSTI REAKČNÍHO DŘEVA 4.1.1 Tlakové dřevo Reakční dřevo (RW) tvořící se na spodní straně ohnutých kmenů a větví jehličnatých dřev se nazývá dřevo tlakové (CW) (Bamber, 2001). CW se v anatomické stavbě a chemickém složení podstatně liší od normálního dřeva (NW). V CW je vrstva S1 výrazně potlačena na úkor velikostně převládající S2-vrstvy, S3 vrstva zcela chybí (Warensjö, 2003). Má se za to, že S2-vrstva významně ovlivňuje podélné tlakové napětí v CW. Zvýšený obsah ligninu působí jako klín. 4.1.2 Tahové dřevo Reakční dřevo (RW), tvořící se na horní straně ohnutých kmenů a větví listnatých dřev se nazývá dřevo tahové (TW) (Bamber, 2001). TW se v anatomické stavbě a chemickém složení podstatně liší od normálního dřeva (NW). V anatomické struktuře je přítomna G-vrstva, která zcela nahrazuje S3 a částečně i S2 (Yamamoto et al., 2004). V TW jsou vrstvy S1 a S2 výrazně lignifikovány a zároveň potlačeny na úkor velikostně převládající G vrstvy (Hoffmayer, 1987). Má se za to, že G-vrstva významně ovlivňuje podélné tahové napětí v TW. Její abnormální smrštění vytváří dojem táhla. 4.2 Makroskopická stavba 4.2.1 Makroskopická stavba dřeva Z příčného pohledu lze u všech dřev makroskopicky pozorovat jednotlivé části kmene. Ve středu kmene se nachází dřeň. Na ni přiléhají jednotlivé roční přírosty tzv. letokruhy. Z jednotlivých letokruhů je dále tvořeno primární dřevo a sekundární dřevo. Poslední a nejmladší částí je kambium, lýko, felogén a korek (Požgaj, 1987; Horáček et al., 2009). Jednotlivé letokruhy se u jehličnatých dřev dělí na jarní a letní dřevo. Ty se od sebe liší jak barevně a funkčně, tak i chemickým složením. Obecně platí, že u jehličnatých dřev je jarní dřevo světlejší, širší a má funkci hlavně vodivou. Letní dřevo je tmavší, užší a jeho funkce je převážně mechanická (Požgaj, 1987; Horáček et al., 2009). 11

Ostrost přechodu mezi jednotlivými letokruhy uvedená v tab. (1) je charakteristickou vlastností jednotlivých jehličnatých dřev. Šířka letokruhu a zastoupení letního dřeva je důležitým parametrem pro posuzování kvality dřeva. Se stoupající šířkou letokruhu klesá zastoupení letního dřeva (Horáček et al., 2009). Jak bylo řečeno, letní dřevo má převážně mechanickou funkci a proto procento jeho zastoupení zásadně ovlivňuje kvalitu a pevnost materiálu (Lexa et al., 1952). Šířka letokruhu a zastoupení letního dřeva je ovlivněna věkem stromu, vitalitou, stanovištěm a zastoupením v porostu. Se zvyšujícím se věkem stromu obecně šířka letokruhů dlouho klesá a následně jen mírně vzroste (Gryc et al., 2007; Novák, 2006). Vztah mezi šířkou letokruhu a věku stromu se u jednotlivých druhů dřevin liší. Tabulka 1. Ostrost přechodu mezi letokruhy u jehličnatých dřev. V pořadí od ostrého po pozvolný přechod (Horáček et al., 2009) Ostrost přechodu mezi letokruhy ostrý pozvolný MD DG BO tis JD SM jalovec VJ U listnatých dřev se letokruhy na jarní a letní dřevo dělí pouze u kruhově pórovitých dřev. Zde platí, že čím širší je letní dřevo, tím jsou mechanické vlastnosti lepší (Horáček et al., 2009). Letní dřevo plní funkci převážně mechanickou. Jarní dřevo obsahuje makrocévy, které plní funkci vodivou. U těchto dřev jsou makroskopicky rozlišitelné charakteristické shluky mikrocév v letním dřevě (Požgaj et al., 1993). Ostatní dřeva jsou roztroušeně a polokruhovitě pórovitá. Jarní a letní dřevo není rozlišeno a vzájemně se prolíná. 4.2.2 Makroskopická stavba reakčního dřeva Tlakové dřevo je dobře rozpoznatelné od okolního dřeva svoji barevnou odlišností (Obr. 1.) (Novák, 2006). CW obsahuje více ligninu a jeho tracheidy jsou výrazně tlustší. Pohlcují více světla a méně ho odrážejí, což způsobuje tmavší barvu (Nečesaný, 1956; Gryc et al., 2007). Podle závažnosti rozvinutí tlakového dřeva je barva červená u mírného rozvinutí, tmavě červená až světle hnědá u vyvinutého tlakového dřeva a u těžkého CW nacházíme barvy tmavě hnědé (Warensjö, 2003). Dalším průvodním znakem je excentricita dřeně (Gryc, 2005). V oblasti tlakového dřeva je zvýšená činnost kambia a 12

tím i širší letokruhy (Pillow a Luxford, 1937). To je způsobeno ohnutím kmene a následnou snahou dostat se zpět do původní polohy. Na první pohled viditelným znakem, který dokazuje přítomnost tlakového dřeva, je také zakřivení kmene (Fisher a Marler, 2006). V křivých kmenech se téměř vždy vyskytuje tlakové dřevo. Ale Warensjö (2003) zjistil přítomnost tlakového dřeva i u rovných stromů. Vysvětlil to tím, že u mladých stromů je vysoký podíl bazálních křivostí a tím vzniká tlakové dřevo. Tato křivost mladých stromů se postupně s rozšiřováním kmene často skryje. Obrázek 1. Příčný řez Picea abies s přítomností tlakového dřeva (Warensjö, 2003) Na příčném řezu je tahové dřevo barevně téměř nerozlišené (Jourez et al., 2001). Tahové dřevo se na příčném řezu projevuje lesklým vzhledem (Badia et al., 2005). Tahové podélné napětí ve dřevě je provázeno silným kambiálním růstem, což vede k excentricitě kmene v oblasti výskytu tahového dřeva (Bamber, 2001). Při mechanickém opracování je potřeba větší řezné síly. Opracovaný povrch je drsný na omak, neboť se vytrhávají celé svazky buněk (Gorišek a Straže, 2006). Tahové dřevo se netvoří jen v části namáhané tahem, podle potřeby se může vytvářet i v jiných částech kmene. Není výjimkou, že byl pozorován lesklý povrch téměř po celém okruží (Badia et al., 2005). 13

Obrázek 2. Tahové dřevo Quercus robur. Tension Wood tahové dřevo, Opposite Wood normální dřevo na odvrácené straně kmene (Lehringer et al., 2009) 4.3 Mikroskopická stavba 4.3.1 Mikroskopická stavba dřeva Jehličnaté dřevo je tvořeno pouze dvěma typy anatomických elementů. Jedná se o tracheidy a parenchymatické buňky. Tracheidy tvoří převážnou část kmene a to až 95% (Požgaj et al., 1987). Parenchymatické buňky se podílejí na stavbě pryskyřičných kanálků, dřeňových paprsků a podélného dřevního parenchymu (Horáček et al., 2009). Mikroskopická stavba je pozorovatelná pod mikroskopem nebo lupou. Na příčném řezu pozorujeme tvar buněk, zastoupení a stavbu jarního a letního dřeva, ostrost přechodu mezi letokruhy a u některých také pryskyřičné kanálky. Na podélných řezech (radiální, tangenciální) pozorujeme dřeňové paprsky, dvůrkaté ztenčeniny (tečky a dvojtečky), spirální ztluštěniny a u některých dřev opět pryskyřičné kanálky. Tvar tracheid normálního dřeva je čtyř až šestiúhelníkový (Bamber, 2001). Na buněčných stěnách tracheid jsou dvůrkaté ztenčeniny umožňující průchod kapalin v horizontálním směru. V tahovém dřevě se nachází dva hlavní stavební prvky s rozdílnou primární funkcí a to funkcí mechanickou a funkcí vodivou. Mechanickou funkci plní mikrocévy a libriformní vlákna, vodivou funkci zajišťují makrocévy (Požgaj et al., 1997). Navzájem se liší svoji šířkou a délkou. Obecně platí, že čím jsou elementy širší, tím jsou kratší 14

(Gryc et al.,2007). Mezní hranice mezi makro a mikrocévami je 100µm. Největší cévy se nachází u kruhově pórovitých dřev v jarním dřevě (200-400µm), nejmenší rozměry cév jsou v letním dřevě (20-40µm) (Horáček et al., 2009). 4.3.2 Mikroskopická stavba reakčního dřeva Prvním a nejcharakterističtějším znakem CW je okrouhlý tvar tracheid (Obr. 3.) (Nečesaný, 1956; Yumoto a Ishida, 1981; Gryc, 2005; Horáček et al., 2009). Okrouhlý tvar je způsoben snahou vyrovnat strom do svislé polohy. Toto může být splněno pouze tehdy, zapojí-li se do tohoto procesu každá tracheida zvlášť. U normálního dřeva je využito maximálního zaplnění plochy při minimální spotřebě materiálu současně se zachováním mechanických vlastností. Tlakové dřevo využívá sílu jednotlivých kulatých tracheid, které lépe přenáší vyvolaná napětí. Poskládáním do husté sítě se tak tlakové dřevo stává výborným prvkem pro přenášení těchto tlaků. Tím ale vzniká problém se zaplněním prostoru a vytváří se mezibuněčné prostory. Obrázek 3. Příčný řez normálním dřevem (Normal wood) a tlakovým dřevem (Compression wood) Picea abies (Tarmian et al., 2011) 15

Dalším již zmíněným znakem je výrazná šířka buněčné stěny (Nečesaný, 1956). Ta se u tlakového dřeva pohybuje v rozmezí 4-8µm (Yamashita et al., 2007). Oproti normálnímu dřevu jarních tracheid 2µm a letních tracheid 4µm je to minimálně dvojnásobný nárůst tloušťky buněčné stěny. (Tarmian et al., 2009). Tracheidy tlakového dřeva jsou také kratší (Gryc a Horáček, 2005). V tlakovém dřevě nenajdeme klasické dvůrkaté ztenčeniny. Ztloustnutí buněčné stěny a posunutí úhlu mikrofibril způsobilo, že dvůrkaté ztenčeniny se zmodifikovaly do spirálních prasklin (Tarmian et al., 2009; Tarmian et al., 2011). (Obr. 4.) Obrázek 4. Dvůrkaté ztenčeniny tlakového a opačného dřeva Picea abies, a) spirální praskliny tlakového dřeva nízký počet, malé rozměry, b) tečky v opačném dřevě větší, početnější, c) spirální praskliny, d) tečky (Tarmian et al., 2011) Mikroskopická stavba tahového dřeva je oproti dřevu normálnímu pozměněna. Výrazně ztloustlá G-vrstva zcela nahrazuje S3 vrstvu a z části i S2 vrstvu (Yamamoto et al., 2004). Její amorfní složení z celulózy má vynikající tahové vlastnosti (Yamashita et al., 2009). Toto složení má však negativní dopad na náchylnost k příčným deformacím 16

(Clair et al., 2004). Složení buněčné stěny TW je mnohdy rozdílné. Hoffmayer (1987) popsal tři základní složení buněčné stěny tahového dřeva: S1+S2+S3+G přítomnost všech vrstev, S1+S2+G absence S3 vrstvy, S1+G absence S2 a S3 vrstvy. V buňkách tahového dřeva je výrazně zastoupena G-vrstva (Jourez et al., 2001; Clair et al., 2004). Vyskytuje se i v normálním dřevě, tam se ale nachází jen v nepatrné tloušťce. G-vrstva, nebo-li vrstva želatinová, je tvořena převážně celulózovými microfibrilami, které jsou orientovány rovnoběžně s podélnou osou kmene (Jourez et al., 2001; Bamber, 2001; Goryšek a Straže, 2006; Lehringer et al., 2009). Želatinová se tato vrstva nazývá proto, že v rostlém dřevě nebo ve velmi vlhkém materiálu má želatinovou, rosolovitou strukturu. Výrazné podélné smrštění při desorpci vody je jeden z průvodních jevů přítomnosti tahového dřeva v materiálu (Terrell, 1958; Maxon a Pillov, 1962; Warensjö, 2003). Ruelle et al. (2007) ale zjistil, že ne každé tahové dřevo obsahuje G-vrstvy. Tento typ dřev se také výrazně podélně smršťuje, toto smrštění však není tak výrazné jako u dřev obsahujících G-vrstvu. G-vrstvě je také připisován zvýšený Yongův modul pružnosti (Timel, 1986). Obrázek 5. Schéma struktury buněčné stěny tahového dřeva, CML střední lamela, S sekundární buněčná stěna, S1 vnější, S2 střední, G želatinová vrstva (Yamamoto et al., 2004) 17

4.4 Submikroskopická stavba 4.4.1 Submikroskopická stavba dřeva Buněčná stěna se skládá z těchto vrstev: střední lamela (CML někdy také nazývaná SL) oddělující od sebe jednotlivé buňky, primární buněčná stěna (P), sekundární buněčná stěna (S) dává buňce charakteristický tvar a mechanické vlastnosti, protože tvoří podstatnou část buněčné stěny. S vrstva se dále dělí na první, druhou a třetí sekundární buněčnou stěnu (S 1, S 2, S 3 ). Uvnitř se nachází bradavičnatá vrstva (G někdy také nazývaná W) nasedající na S 3, kde vystýlá lumeny buněk. Je však tak nepatrná, že se na ni někdy zapomíná. Jednotlivé vrstvy se vzájemně liší svoji tloušťkou, mikroskopickou stavbou i chemickým složením (Požgaj, 1987; Horáček et al., 2009). 4.4.2 Submikroskopická stavba reakčního dřeva S2 vrstva má převládající vliv na mechanické vlastnosti dřeva (Obr. 6.) (Bamber, 2001; Warensjö, 2003). Její tloušťka, která se vyvinula na úkor S3 vrstvy, zaujímá až 80% buněčné stěny a udává tvar a velikost tracheid (Bamber, 2001). Úhel mikrofibril v této vrstvě je u normálního dřeva 15 30, v tlakovém dřevě se úhel zvýšil na hodnotu 30 45 (Nečesaný, 1956; Gorišek a Torelli, 1999). Dvůrkaté ztenčeniny (tečky, dvojtečky) jsou zmodifikovány do spirálních prasklin. Ztenčenin je v CW méně než v NW (Tarmian et al., 2011). Jejich vnitřní průměr přepočtený na plochu je také rozdílný. Tlakové dřevo má menší ztenčeniny (5,56µm 2 ) než dřevo normální (9,21µm 2 ) (Mayr et al., 2005). Obrázek 6. Schéma struktury buněčné stěny. NW normální dřevo, CW tlakové dřevo, CML střední lamela, P primární vrstva, S sekundární buněčná stěna, S1 vnější, S2 střední, S3 vnitřní (Kwon et al., 2001) 18

Tahové dřevo téměř vždy postrádá S3 vrstvu a částečně i S2 vrstvu, S1 vrstva může být ztenčená (Obr. 5.) (Hofmayer, 1987; Yamamoto et al., 2004). Předpokládá se, že úbytek pevného ligninu v podobě zaniklé S3 vrstvy se nahrazuje ve zbylých vrstvách (Yamamoto et al., 2004). Ty jsou na lignin bohatší než stejné vrstvy v NW (Yamamoto et al., 2004). Vysoký obsah podélně uspořádané celulózy v G-vrstvě dává tahovému dřevu vlastnosti jako je například dobrá propustnost, vysoké namáhání v tahu a vysoké podélné namáhání. Obrázek 7. Řezy buňkami tlakového dřeva Quercus robur. CML střední lamela, S1 a S2 sekundární buněčná stěna, GL želatinová vrstva (Lehringer et al., 2009) 4.5 Chemické složení 4.5.1 Chemické složení dřeva Dřevo je složitý komplex různých látek. Celulóza, hemicelulóza a lignin tvoří základ buněčné stěny a tím celého kmene. Celulóza je v podstatě kostra, která tvoří převážnou část buněčných stěn (Tarmian a Azadfallah, 2009). Její obsah ve dřevě jehličnanů se podle Horáčka et al. (2009) pohybuje v rozmezí 46 56%. Pevnost dřevu dodává lignin, který je ve dřevě jehličnanů obsažen v rozmezí 25 35%. Jeho trojrozměrná struktura dobře vyplňuje prostory mezi jednotlivými fibrilami a tím je stmeluje (Yeh et al., 2006). Lignin se váže na hemicelulózu a tvoří tak lignopolysacharidové komplexy (Horáček et al., 2009). Ukládání ligninu ve dřevě se nazývá lignifikace nebo-li dřevnatění. Pojidlem mezi celulózovými makromolekulami a ligninem je komplex různých částečně celulózových sloučenin souhrnně nazývaných hemicelulóza. 19

4.5.2 Chemické složení reakčního dřeva Tlakové dřevo má vyšší obsah ligninu než dřevo normální (Nečesaný, 1956; Timel, 1986; Saito a Fukushima, 2005). Lignin jako chemická látka dává dřevu pevnost. Musí být zabudován v celulózových lůžkách, ke kterým je navázán hemicelulózou (Sedighi- Gilani et al., 2005). Jeho obsah v tlakovém dřevě kolísá podle rozvinutí komprese. Yeh et al. (2006) uvedl hodnotu ligninu v tlakovém dřevě Pinus taeda 37,5 %. Z tab. (2) vyplívá, že galaktiny budou hrát v tlakovém dřevě důležitou roli. Zatím nebyly provedeny výzkumy, které by tuto hypotézu potvrzovaly. Tabulka 2. Zastoupení chemických složek v tlakovém dřevě podle (Timell, 1986) Chemické složení CW (%) Složka NW CW Lignin 30 40 Celulóza 42 30 Galaktany stopové množství 10 Buňka tahového dřeva se skládá ze střední lamely, primární buněčné stěny, sekundární buněčné stěny S 1,S 2 a G-vrstvy (Mayr et al., 2005). Každá vrstva má jiné chemické složení a rozdílný úhel microfibril. Střední lamela a sekundární buněčné stěny jsou silně lignifikovány (Yamamoto et al., 2004). Relativně flexibilní celulózová kostra je provázána ligninem, který tyto vrstvy mechanicky zpevňuje (Saito a Fukushima, 2005). Lignin způsobuje menší bobtnání, protože obsazuje místa, kam by se voda mohla navázat. Tabulka 3. MFA - úhel mikrofibril jednotlivých vrstev buněčné stěny v TW. CML - Střední lamela, S1-S2 - sekundární buněčné stěny, G - želatinová vrstva. (Lehring et al., 2009, převzato od Prodhan et al., 1995) MFA různých vrstev buněčné stěny Vrstva MFA ( ) CML 70 S1 0 S2 35-40 G 0-10 20

Tabulka 4. Zastoupení chemických složek v tahovém dřevě Eucaliptus goniocalyx (Hofmayer 1987, převzato od Kollman a Coté, 1984) Cemické složení TW (%) NW TW Lignin 29,5 13,8 Celulóza 44 57,3 Pentosan 15,1 11 Acetyl 3 1,9 Galactose residue 2,5 7,4 Lignin je pevný, ale křehký, i proto mají tyto vrstvy menší Yongův modul pružnosti než G-vrstva (Yamamoto et al., 2004; Clair et al., 2004). Kostra G-vrstvy se skládá z celulózových mikrofibril, které jsou orientovány rovnoběžně s podélnou osou kmene (Jourez et al., 2001; Bamber, 2001; Goryšek a Straže, 2006; Lehring et al., 2009; Yamamoto et al., 2009). Obsah celulózy v G-vrstvě je až 98% (Goryšek a Stráže, 2006). Zastoupení jednotlivých chemických složek v TW znázorňuje tab. (4) 4.6 Fáze tlakového dřeva Z dosud zpracovaných studií vyplývá, že zásadní vliv na chování CW má úhel mikrofibril v S2 vrstvě sekundární buněčné stěny. Mnohem větší vliv má však stupeň rozvinutí tlakového dřeva. CW rozdělujeme na lehké, střední a těžké tlakové dřevo. Yamashita et al. (2009) z University Nagoya v Japonsku zkoumali vztah mezi stupněm rozvoje reakčního dřeva a anatomickou stavbou. Byly vysazeny stromky Pinus radiata v různém stupni odklonu 0, 10, 20, 30, 40 a 50. (Obr. 8.) 4.6.1 Zkoumané vlastnosti Bylo pozorováno: úhel mikrofibril, délka a tloušťka tracheid, průměr buněk a obsah ligninu. Normální dřevo tvoří během růstu na všech stranách stejné přírůstky. V kontrastu s CW je na spodní (tlačené) straně urychlený kambiální růst. Tím vzniká excentricita kmene (Gryc, 2005). Tloušťka tracheid a jejich zaoblení se zvyšovaly se vzrůstajícím úhlem sklonu kmínků (Obr.10a). Mezibuněčné prostory byly pozorovány ve všech fázích CW (10 do 50 ). Spirální praskliny v tangenciální části (Obr.10b) byly pozorovány na vnitřním povrchu tracheid v každém stromku s přítomností CW (10-50 ). Spirální praskliny 21

mezi žebry byly výraznější a hlubší u vzorků s úhlem sklonu 40-50. Úhel spirálních prasklin byl shodný ve všech stupních naklonění CW (Yamashita et al., 2009). Úhel mikrofibril se se sklonem zvyšoval až do 30, poté se MFA zase vracel na nižší hodnoty. Na stoncích 40-50 byl MFA téměř stejný jako u 10-20 (Obr 9a). Délka tracheid s narůstajícím úhlem sklonu klesá (Obr. 9b). Všechny úhly sklonů měly vliv na délku tracheid. Vzorky z apikální a střední části měly délku tracheid větší než vzorky z bazální části kmene. U vzorků ze svislého kmínku 0 místo odběru nehrálo žádnou roli. Obsah ligninu se zvyšoval do 40, dále zůstává prakticky nezměněn (Obr. 9c). Míra zvýšení obsahu ligninu byla nejvýraznější mezi úhly 0 a 10. Kruhovitost tracheid se zvyšovala do 30, dále by se v souvislosti s nakloněním stromu zvyšovat neměla (Obr 10a,9d). Tloušťka buněčné stěny se zvyšuje se sklonem do 20 (Obr. 9e). Procento mezibuněčných prostor se zvyšuje do 40, poté se sníží na hodnotu v 10 (obr. 9f). Průměr tangenciálních buněk klesá s rostoucím úhlem sklonu (Obr. 9g). Průměr radiálních buněk se naopak s rostoucím úhlem výrazně nemění (Obr. 9h) (Yamashita et al., 2009). Obrázek 8. Ukotvení stromků v různém stupni naklonění (Yamashita et al., 2009) 22

Obrázek 9. Vztah mezi sklonem kmene (osa x) a (a) úhlem mikrofibril (MFA), (b) délkou tracheid, (c) obsahem ligninu, (d) kruhovitostí tracheid, (e) procentuálním zastoupením tloušťky buněčné stěny tracheid, (f) procentuálním zastoupením mezibuněčných prostor, (g) průměrem tangenciálních buněk, (h) průměrem radiálních buněk. Duté čtverečky značí průměr měření, černé kroužky značí naměřené hodnoty. Měření probíhalo na třech místech v každém stromku, a) bazálních, b) středních a c) apikálních oblastí. Jednotlivá písmena poukazují na výrazné rozdíly v průměrech < 0,05. Více písmen naznačuje, že naměřená střední hodnota odpovídá více než jedné skupině. (Yamashita et al., 2009) 23

Obrázek 10. Pole emisí skenované elektronovým mikroskopem (FE-SEM). Mikrosnímky šesti vzorků získaných z mladých stromků pěstovaných svisle nebo ve sklonu. (a) průřezy tracheid, (b) šroubovitá žebra (Yamashita et al., 2009) 4.6.2 Rozvinutí tlakového dřeva Obsah ligninu, kruhovitost tracheid v průřezu a procento zastoupení buněčné stěny se zvyšují se sklonem mezi 20-30. Další nárůst nebyl pozorován. Délka tracheid se snižovala do 30, poté se nesnižovala. Pozorování průřezů také ukázalo, že přírůstek kruhovitosti tracheid a procento buněčné stěny se zvyšuje do 30 (Yamashita et al., 2009). Pozorováním anatomie apikálních a bazálních částí stejných stonků bylo zjištěno, že v apikální části je mírnější stupeň tlakového dřeva než v části bazální. To samé se projevilo i u délky tracheid, což značí, že apikální část má menší stupeň vývoje komprese než bazální část. K maximálnímu rozvinutí tlakového dřeva dochází při vychýlení osy o 30 z běžného růstu kmene. Při tomto vychýlení se maximálně rozvíjí obsah ligninu, kruhovitost tracheid, tloušťka buněčné stěny a mezibuněčné prostory. S rostoucím úhlem se výše zmíněné vlastnosti dále nerozvíjí, některé se dokonce snižují. Snižuje se obsah ligninu a procento mezibuněčných prostor (Yamashita et al., 2009). 24

4.7 Fyzikální vlastnosti reakčního dřeva 4.7.1 Vlhkost Voda se ve dřevě vyskytuje ve třech úrovních. První a zcela neodlučitelná je voda chemicky vázaná. Jedná se o vodu, která je součástí jednotlivých stavebních sloučenin (celulóza, hemicelulóza a lignin). Tato voda se ze dřeva prakticky nedá odstranit a je jeho součástí. Odstranění lze dosáhnout jedině spálením. Obsah vody chemicky vázané je maximálně 1 2 % sušiny dřeva. Na fyzikální a mechanické vlastnosti nemá žádný vliv (Horáček et al., 2009). Druhá úroveň se týká vody vázané, která se vyskytuje v buněčných stěnách tracheid a jiných anatomických elementů dřeva. Vázaná je na hydroxylové skupiny OH amorfní části celulózy a hemicelulózy (Horáček et al., 2009). S touto vodou už dřevo běžně pracuje, přijímá a odevzdává ji podle vlhkosti okolního prostředí. Voda vázaná se vyskytuje mezi 1 30 % sušiny dřeva (Požgaj et al., 1993). Horní hranice obsahu vody vázané je dána mezí hygroskopicity (MH) nebo mezí nasycení buněčných stěn (MNBS). Mezí nasycení buněčných stěn rozumíme takový stav dřeva, kdy je buněčná stěna plně nasycena vodou a lumeny buněk neobsahují vodu v kapalném skupenství. Mezí hygroskopicity rozumíme takovou rovnovážnou vlhkost, které dřevo dosáhne po dlouhodobém vystavení na vzduchu, jehož relativní vlhkost je blízká nasycení (φ =0,995%) (Horáček et al.,, 2009). Voda vázaná má zásadní vliv na fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva (Lexa et al., 1952). Třetí úrovní je voda volná. Ta se může vyskytovat pouze v případě, je-li v plné míře obsažena voda vázaná. Voda volná zaplňuje lumeny buněk a mezibuněčné prostory. Ve dřevě se tedy vyskytuje v rozmezí 30 200 % (Horáček et al., 2009). Voda volná má jen minimální vliv na fyzikální a chemické vlastnosti dřeva. 4.7.2 Pohyb vody v tlakovém dřevě 4.7.2.1 Úvod Pohyb vody ve dřevě Dřevo je hygroskopický materiál. Tato skutečnost ovlivňuje jeho veškeré vlastnosti. Dřevo je v průběhu svého růstu neustále spjato s pohybem vody. Voda zajišťuje transport produktů fotosyntézy z koruny ke kořenům a zásobních látek zpět do koruny. Rostoucí strom má v průměru 80 100 % vlhkosti. Po jeho skácení se množství vody 25

neustále mění podle dalšího použití. Dřevo vodu v čase přijímá a odevzdává podle vlhkosti okolního prostředí. Obsah vlhkosti zásadně ovlivňuje fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva. S rostoucí vlhkostí se vlastnosti zpravidla zhoršují (Lexa et al., 1952). Výjimkou jsou například rázová houževnatost nebo elektrická vodivost. Pohyb vody u jehličnatých dřevin zajišťují základní vodivé a mechanické elementy tracheidy, kterých je podle Požgaje et al. (1997) ve dřevě až 95%. Pohyb vody je závislý na vnitřním průměru buněk. U normálního dřeva se nedá přímo mluvit o průměru, jelikož jeho tracheidy na rozdíl od tracheid reakčního dřeva nejsou kruhového tvaru, nýbrž tvaru 4-6 úhelníkového (Bamber, 2001; Horáček et al., 2009). Pro zjednodušení se ale i u těchto tracheid mluví o průměru. Průměrný průměr tracheid u normálního dřeva Pinus silvestris je asi 0,04mm. (Horáček et al., 2009). Tracheidy tlakového dřeva jsou tlustostěnné, proto se předpokládá menší průměr a tím pádem i menší vodivost. 4.7.2.2 Pohyb vody v reakčním dřevě Pohyb vody ve dřevě má různý charakter. Voda volná se ve dřevě vyskytuje jako kapalina, která proudí v podélném směru vlivem kapilární elevace lumeny buněk. Plocha průřezu tracheid jehličnatých dřev se liší podle umístění v letokruhu. Jarní tracheida u Picea abies má podle Mayra et al. (2005) plochu průřezu (318,2 ± 23,3 µm 2 ), letní tracheida (79,2 ± 4,7 µm 2 ). Tracheidy CW mají díky kruhové ztloustlé buněčné stěně menší rozměry (Yamashita et al., 2009). U CW může plocha průřezu klesnout až k (60,2 ± 3,6 µm 2 ) (Mayr et al., 2005). Plochy průřezu jednotlivých tracheid jsou uvedeny v tab. (5) Pohyb vody volné v příčném směru u normálního dřeva zajišťují dvůrkaté ztenčeniny tzv. tečky a dvojtečky (Požgaj et al., 1993; Horáček et al., 2009). Tlakové dřevo tyto typické ztenčeniny nemá. Jsou zde nahrazeny spirálními prasklinami, u kterých předpokládáme, že vznikly z teček a dvojteček. Do spirálních prasklin se tyto ztenčeniny modifikovaly vlivem ztloustnutí buněčné stěny a natočením mikrofibril v S2 vrstvě (Obr. 4.) (Yamashita et al., 2009). V tlakovém dřevě je těchto ztenčenin podstatně méně než teček u dřeva normálního (Tarmian et al., 2012). Rozměr dvůrkatých ztenčenin je podle Mayra et al. (2005) u tlakového dřeva asi poloviční než v dřevě normálním. Mayr et al. (2005) také uvedl, že první tracheida v letokruhu tlakového dřeva se rozměrem a tvarem velmi podobá tracheidě normální. Všechny následující se modifikují do tracheid tlakových. Zjistil také, že tato vrstva tenkostěnných tracheid zajišťuje lepší 26

transport vody do tlakové oblasti. Koeficient vodivosti a rozměry dvůrkatých ztenčenin jednotlivých tracheid jsou popsány v tab. (6). Transport vody vázané zajišťuje difuze. Difuze je proces, při kterém se kapalina snaží nastolit rovnovážný stav její koncentrace v materiálu. Jednou ze základních vlastností, která difuzi ovlivňuje, je hustota. S rostoucí hustotou klesá vodivost (Lexa et al., 1952). Tracheidy reakčního dřeva jsou tlustostěnné (Tab. 7.), a proto je jejich koeficient bezrozměrné vodivosti menší než u normálního dřeva (Tab. 8.) (Yamashita et al., 2009). Voda v podstatě musí projít větší vrstvou materiálu, kterou musí při difuzi překonat. Dalším důvodem menší vodivosti u tlakového dřeva jsou již zmíněné spirální praskliny. Tabulka 5. Plocha průřezu jarních a letních tracheid u normálního (NW) a tlakového (CW) dřeva (Mayr et al., 2005) plocha průřezu tracheid (µm²) jarní pozdní jarní letní NW 318,2 ± 23,3 158,9 ±23,9 79,2 ± 4,7 CW 209,3 ± 16,7 83,2 ± 7,8 60,2 ± 3,6 Tabulka 6. Koeficient vodivosti a obsah průřezu ztenčenin Picea abies. K s = koeficient vodivosti, LB (light bands) zóna s první tracheidou v oblasti tlakového letokruhu, CW tlakové dřevo, OW normální dřevo na opačné straně kmene (Mayr et al., 2005) Koeficient vodivosti a obsah průřezu ztenčenin Picea abies LB CW OW Ks (m2 s-1 MPa-1 10-4) 6.38 ± 1.25 2.12 ± 0.31 7.95 ± 0.97 obsah průřezu ztenčenin (µm) 9.15 ± 0.60 5.56 ± 0.44 9.21 ± 0.53 Tabulka 7. Tloušťka buněčné stěny Picea abies podle (Tarmian et al., 2012) tloušťka buněčné stěny (µm) OW 3,5 CW 7,5 Tabulka 8. Koeficient bezrozměrné vodivosti normálního a tlakového dřeva Picea abies podle (Tarmian et al., 2012) koeficient vodivosti OW 0,0116 CW 0,0084 27

Tahové dřevo má strukturu vhodnou k transportu velkého množství vody. Dřevo je v průběhu svého růstu a zrání neustále spjato s vodou a jejím pohybem. Vysoké zastoupení celulózy v tahovém dřevě 57, 3 % (Hoffmayer, 1987) a její vynikající schopnost vázat vodu dává tahovému dřevu vysoké předpoklady pro dobrý transport tekutin. Propustnost TW je podle Tarmiana et al. (2012) v porovnání s normálním dřevem téměř shodná. Tarmian et al. (2012) dále uvedl, že při stejné hustotě TW a NW má tahové dřevo lepší propustnost. Důvodem je dobré rozmístění velkých vodivých elementů a hlavně přítomnost G-vrstvy. Tabulka 9. Bezrozměrná vodivost opačného (OW) a tahového (TW) dřeva buku Fagus silvatica z pěti vzorků (Tarmian et al., 2009) Bezrozměrná vodivost protilehlého a tahového dřeva vzorek 1 vzorek 2 vzorek 3 vzorek 4 vzorek 5 Průměr OW 0,007 0,009 0,008 0,007 0,007 0,0076 TW 0,009 0,01 0,006 0,008 0,008 0,0082 4.7.2.3 Diskuze Pohyb vody v reakčním dřevě Tlakové dřevo má menší hodnotu propustnosti než dřevo normální. Je to způsobeno menším průměrem tracheid a nižším zastoupením dvůrkatých ztenčenin zmodifikovaných do spirálních prasklin. Ty jsou navíc menší než tečky nebo dvojtečky (Tarmian et al., 2012). Tlakové dřevo má také menší hodnotu vodivosti (Mayr et al., 2005). To je způsobeno ztloustlou buněčnou stěnou, nerovnoměrným uspořádáním kulatých tracheid a tím vznikajících mezibuněčných prostor (Yamashita et al., 2009). Propustnost tahového dřeva je v porovnání s normálním dřevem mírně zvýšená (Tarmian et al., 2012). Důvodem je přítomnost G-vrstvy. Její složení z podélně orientovaných celulózových mikrofibril jí dává tyto vlastnosti: schopnost vázat velké množství vody, udržení této vody a díky podélnému MFA její snadný transport (Hoffmayer, 1987). 4.7.3 Bobtnání, sesychání a rozměrové změny 4.7.3.1 Úvod Bobtnání, sesychání a rozměrové změny Bobtnání (ɑ) a sesychání (β) dřeva probíhá v oblasti vody vázané. To je v rozmezí mezi 2 30 % vlhkosti dřeva (Požgaj et al., 1993; Horáček et al., 2009). 28

Schopnost absorpce a desorpce vody vázané je doprovázena rozměrovými změnami řeziva (Warensjö, 2003). Bobtnání popřípadě sesychání v jednotlivých anatomických směrech mezi tlakovým a normálním dřevem je rozdílné. Nejdůležitějším faktorem je úhel odklonu mikrofibril od svislé osy kmene v S2 vrstvě. Odklon mikrofibril u normálního dřeva je 15 30, zatímco u tlakového dřeva je tento úhel vyšší a dosahuje 30 45 (Horáček et al., 2009). Jak bylo řečeno, rozměrové změny ve dřevě jsou v souladu s množstvím vody vázané. Voda se v této oblasti ukládá do buněčných stěn a je vázána na hydroxylové skupiny OH jednotlivých celulózových fibril (Horáček et al., 2009). Tyto fibrily se vzájemně vzdalují nebo přibližují. Díky tomu dochází k rozdílnému bobtnání nebo sesychání v jednotlivých anatomických směrech. Podél vláken je u našich dřevin 0,1 0,4 %, v radiálním směru 3 6 % a v tangenciálním 6 12 % (Horáček et al., 2009). Často se tento poměr bobtnání v jednotlivých anatomických směrech udává jako: ɑ t ɑ r ɑ l = 20 : 10 : 1. 4.7.3.2 Bobtnání, sesychání a rozměrové změny v reakčním dřevě Rozložení tlakového dřeva ovlivňuje podélné namáhání a napětí rozložené v rámci kmene. Ohman (2001) zjistil, že konvexní tvar desky je silným indikátorem přítomnosti tlakového dřeva. Zjistil také závislost mezi velikostí venkovního oblouku a obsahem tlakového dřeva. Tlakové dřevo má díky vysokému úhlu mikrofibril velké podélné sesychání (Ormarrson, 1999), které může být 10x (Paul a Smith, 1950), 20x (Verrall, 1928) nebo dokonce 40 50x (King, 1954, Nicholas, 1982) větší, než je tomu u normálního dřeva. Objemové bobtnání a sesychání u tlakového dřeva je menší než objemové bobtnání a sesychání dřeva normálního (Gryc, 2005). Hodnoty sesychání v jednotlivých směrech jsou uvedeny v tab. (10). Rozdílné sesychání se negativně projevuje na konečném výrobku. Proto je snaha tlakové dřevo z materiálu vymanipulovat. 29

Tabulka 10. Hodnoty bobtnání a sesychání v jednotlivých směrech podle různých autorů Druh dřeva Hodnoty sesychání a bobtnání Podélné Radiální Tangenciální CW NW CW NW CW NW [%] [%] [%] [%] [%] [%] Poznámka Autor Picea sp. 1,59 0,38 7 6,5 9,8 8,8 bobtnání Niemz et. al. 1993 Picea abies 1,58 0,26 5,3 5 7,7 7,7 sesychání Niemz et. al. 1994 Picea abies 3,58 0,32 2,11 4,78 3,15 6,53 sesychání Ollinmaa 1959 Picea abies 2,09 0,36 2,61 4,2 3,6 8,47 sesychání Rak 1957 Picea abies 1,9 0,21 2,64 6,25 4,6 6,7 sesychání Tiemell 1986 Picea abies 2,25 0,18 2,39 4,14 3,14 7,5 sesychání Tiemell 1987 Picea abies 0,91 0,14 2,19 4,67 4,59 9,33 sesychání Stráže a Goríšek 2006 V tab. (11) jsou uvedeny hodnoty poměrů (CW/NW) sesychání v jednotlivých anatomických směrech. Data byla vybrána z tab. (10). Průměry těchto poměrů dokazují výrazné podélné sesychání tlakového dřeva, které dosahují až o 850 % vyšších hodnot než u dřeva normálního. Hodnoty sesychání v radiálním a tangenciálním směru jsou naopak v tlakovém dřevě zhruba o 40 %, nižší než je tomu u dřeva normálního. Důvodem je vysoký MFA v S2 vrstvě buněčné stěny. Mikrofibrily v této vrstvě mají odklon od svislé osy kmene 30 40 (Nečesaný, 1956; Gorišek a Torelli, 1999). Při sušení se odstraňuje voda vázaná, která se nachází mezi těmito mikrofibrilami. Fibrily se proto mohou po odstranění vody více přiblížit a tím vzniká toto výrazné podélné sesychání. Tabulka 11. Poměr sesychání CW/NW v jednotlivých směrech podle dat z tab. (10) Poměr sesychání CW/NW Podélné Radiální Tangenciální Picea abies 6,077 1,06 1 Picea abies 11,188 0,441 0,482 Picea abies 5,806 0,621 0,425 Picea abies 9,048 0,422 0,687 Picea abies 12,5 0,577 0,419 Picea abies 6,5 0,469 0,492 Průměr 8,52 0,599 0,584 Bobtnání a sesychání tahového dřeva se od normálního dřeva odlišuje méně než bobtnání a sesychání dřeva tlakového. Rozdílné hodnoty vycházejí z přítomnosti G- vrstvy. Její složení z vysoce nabobtnaných podélně uložených celulózových mikrofibril (v surovém stavu) ji v procesu sušení udává velké podélné sesychání (Jourez et al., 2001; Bamber, 2001; Goryšek a Straže, 2006; Lehring et al., 2009; Yamamoto et al., 30

2009). Nabobtnalé mikrofibrily se při desorpci vody prudce stahují a G-vrstva celkově rapidně snižuje svůj objem (Clair a Thibaut, 2001). Důležitou roli hrají i S-vrstvy. Vysoce lignifikované S1 a S2 vrstvy redukují výrazné podélné sesychání G-vrstvy (Terrell, 1958). Ne všechny listnaté dřeviny však vytvářejí v tahovém dřevě G-vrstvu. Ruelle et al. (2007) zkoumal deset tropických dřev, které obsahovaly tahové dřevo. Pouze u dvou z nich nebyla potvrzena přítomnost G-vrstvy. I přesto bylo jejich podélné sesychání vyšší než v normálním dřevě, zároveň však bylo menší než u TW s přítomností G- vrstvy. Toto tvrzení je podkladem pro hlubší zkoumání. Tahové dřevo má zvýšené podélné sesychání podobně jako dřevo tlakové (Bamber, 2001). U CW je to zapříčiněno uložením mikrofibril v S2 vrstvě (Ayrilmis, 2008). V TW se nachází G-vrstva, která způsobuje toto zvýšené podélné sesychání. G-vrstva je tvořena z 98 % celulózovými mikrofibrilami (Jourez et al., 2001; Yamamoto et al., 2009). Jejich orientace k podélné ose je 0 5, což je zcela protichůdné vůči MFA v S2 vrstvě CW. Přesto má G-vrstva podélné sesychání až 4,7 % (Clair a Thybaut, 2001; Yamamoto et al., 2004; Goríšek a Stáže, 2006; Lehring et al., 2009). Abnormální podélné sesychání tahového dřeva je vysvětleno tím, že G-vrstva je v živém (rostoucím) stromě bohatá na vodu. Vysoký obsah vody vázané v G-vrstvě způsobuje nadměrné nabobtnání (Clair a Thybaut, 2001). Mikrofobrily se oddálí a vzniká tzv. želatinová vrstva. Neměl by být opomenut fakt, že vysoký obsah vody v G- vrstvě je přirozený stav živé tkáně a díky vysokému obsahu celulózy má G-vrstva zvýšenou absorbanci vody (Goríšek a Stráže, 2006). Při sušení nebo zrání voda odchází a mikrofibrily se stahují. Při úplném odstranění vody (pouze sušením) má G-vrstva podélné sesychání až 4,7 % (Clair a Thibaut, 2001). G-vrstva je však uložena v CML S1 S2 vrstvách, které mají sesychání díky vysokému obsahu ligninu podstatně menší. Tyto síly se vzájemně odečtou a výsledné podélné sesychání TW je přibližně 1 % (Goríšek a Stráže 2006; Clair a Thybaut 2001; Maxon a Pillow 1962). 4.7.3.3 Diskuze Bobtnání, sesychání a rozměrové změny v reakčním dřevě Hodnota podélného sesycháni tlakového i tahového dřeva je výrazně vyšší než u dřeva normálního (Bamber, 2001). Naopak hodnoty příčného bobtnání jsou potlačeny. Objemové bobtnání je u obou dřev menší něž u dřeva normálního (Gryc, 2005; Tarmian 31

et al., 2009). Bobtnání a sesychání reakčního dřeva je proces, který se značně liší od normálního dřeva. U hotových výrobků s obsahem reakčního dřeva způsobují rozměrové změny nevratné škody. Nejlepším řešením by bylo toto dřevo z materiálu zcela vymanipulovat. RW se však v rámci kmene vyskytuje v různých výškách a ne jen v bazální části (Tarmian et al. 2009). To znemožňuje RW při zpracování z materiálu zcela odstranit. 4.7.4 Hustota 4.7.4.1 Úvod Hustota Hustota je základní charakteristická vlastnost, podle které se počítají a odvozují další fyzikální a mechanické vlastnosti. Fyzikálními vlastnostmi jsou například bobtnání a sesycháni, pórovitost, vedení tepla a zvuku (Lexa et al., 1952). U mechanických vlastností se hustota přímo nezapočítává, ale obecně platí, že čím je hustota vyšší, tím je dosahováno vyšších hodnot při mechanických zkouškách (Lexa et al., 1952). Hustota dřeva je dána podílem hmotnosti a objemu dřeva při určité vlhkosti (Horáček et al., 2009). Hustota dřevní substance udává hodnotu samotného objemu buněčných stěn bez objemu mezibuněčných prostor a lumenů buněk (Požgaj et al., 1993). Důležitým parametrem hustoty dřevní substance je zastoupení celulózy, hemicelulózy a ligninu. Průměrné zastoupení hlavních složek dřeva je popsáno v tab. (2,4). Průměrná hustota základních složek je následující: celulóza 1 555 kg.m -3, hemicelulóza 1 500 kg.m -3 a lignin 1 390 kg.m -3 (Horáček et al., 2009). Na základě těchto hodnot a průměrného zastoupení základních složek je udávaná hustota dřevní substance pro všechny dřeviny jednotně 1 530 kg.m -3 (Horáček et al., 2009). 4.7.4.2 Hustota reakčního dřeva Tlakové dřevo má vyšší obsah ligninu zhruba o 10 % (Tarmian et al. 2011). Hodnota ligninu kolísá podle závažnosti tlakového dřeva okolo hodnoty 40 % z celkového objemu zastoupení tří hlavních složek dřeva (Altaner et al., 2008). Při zvýšeném obsahu ligninu se musí snížit hustota dřevní substance. Hustota je však u tlakového dřeva vyšší než u normálního. To by mohlo být způsobeno vyšším zastoupením letního dřeva, které má vyšší hustotu než dřevo jarní (Novák, 2006). V letokruzích z tlakové oblasti je 3-4krát vyšší podíl letního dřeva (Horáček et al., 2009). 32

Obrázek 11. Příčný řez Pinus strobus s výskytem reakčního dřeva. Jsou zde vidět makroskopické znaky tlakového dřeva, jako jsou: excentrický růst, širší letokruhy a vyšší podíl letního dřeva, který vede ke zvýšené hustotě (Pillow a Luxford, 1937) Hustota tlakového dřeva je vyšší než u dřeva protilehlého (Tab. 12.). Zvýšený kambiální růst v tlakové oblasti, kulaté tlustostěnné tracheidy s vyšším obsahem ligninu a až čtyřikrát vyšší zastoupení letního dřeva než u dřeva normálního jsou důvodem zvýšené hustoty v CW (Warensjö, 2003; Gryc, 2005; Novák, 2006; Diaz-vaz et al., 2009). Rozdílnou hustotu tlakového a normálního dřeva popisuje mnoho různých autorů. Hustota tlakového dřeva je někdy až o 50 % vyšší (Rune a Warensjö, 2002). Hartig (1901) zjistil hustotu tlakového dřeva smrku 870 kg m 3 a uvedl, že velmi vyvinuté tlakové dřevo Picea abies může dosahovat hustoty nejlehčího dubového dřeva. Z uvedených hodnot není patrná žádná výraznější závislost jednotlivých hustot tlakového a normálního dřeva. Proto byly hodnoty upraveny a zaneseny do grafu (Obr. 12.). Z grafu lze vyčíst, že poměry hustot tlakového a normálního dřeva Pinus radiata nejčastěji kolísají nad hodnotou 1. Zvýšená vlhkost u dvou vzorků zde nemá významný vliv. 33

Tabulka 12. Hustota jehličnatých dřev v OW opačnéhoho dřeva a CW tlakového dřeva podle různých autorů Druh dřeva Hustota [Kg/m³] CW Hustota tlakového a opačného dřeva OW Vlhkost [%] Autor Picea abies 471 560 460 12 Kučera, 1973 Picea abies 810 470 0 Ollinmaa, 1959 poznámky Picea abies 766 795 405 439 0 Rak, 1957 Picea abies 436 420 0 Seeling, 1999 Picea abies 452 423 0 Trendelenburg, 1932 Picea abies 730 523 12 Tarmian et. al., 2011 Picea abies 830 450 0 Cieslar, 1896 Picea abies 870 0 Hartig, 1901 Picea abies 549 474 12 Novák, 2006 Picea abies 560 680 469 476 12 Gryc, 2005 Pinus radiata 405 372 0 Diaz-vaz, 2009 průměrné hodnoty Pinus radiata 440 403 0 Diaz-vaz, 2009 pěstované v písku Pinus radiata 373 345 0 Diaz-vaz, 2009 pěstované v jílu Pinus radiata 580 477 12 Donaldson et. al., 2004 těžká komprese Pinus radiata 456 444 12 Donaldson et. al., 2004 lehká komprese Obrázek 12. Poměr hustoty tlakového a normálního dřeva u různých dřevin podle hustot jednotlivých autorů 34

Poměry hustoty Picea abies jsou méně shodné. Některá dřeva mají hodnotu opět okolo 1, jiné však dosahují hodnoty až 1, 8. To může být zapříčiněno výběrem dat od různých autorů, kteří mohli postupovat odlišnými metodami a zkoumali stromy rostoucí v jiných zeměpisných šířkách. Menší rozptyl hodnot u Pinus radiata je způsoben získáním dat jen od dvou autorů. Hustota tahového dřeva je jen nepatrně zvýšená oproti dřevu normálnímu (Tarmian et al., 2012). Základním rozdílem ve stavbě tahového a normálního dřeva je výskyt mimořádně ztloustlé G-vrstvy v TW (Obr. 13.) (Clair a Thybaut, 2001; Yamamoto et al., 2004; Goríšek a Stáže, 2006; Lehring et al., 2009). G-vrstva je z 98 % tvořena celulózou, která je v živém stromě vysoce nabobtnalá (Clair a Thybaut, 2001). Vysoký obsah vody v této vrstvě způsobuje její výrazné ztloustnutí (Yamamoto et al., 2004). Celulózy však není potřeba tolik, aby významně ovlivnila hustotu TW. V TW je zvýšená kambiální činnost, která začíná dříve a končí později než v NW (Goríšek a Stáže, 2006). To je další důvod nepatrně zvýšené hustoty v tahovém dřevě. Hustota tahového dřeva je zvýšena o 5 10 % oproti dřevu normálnímu, někdy dokonce až o 30 % (Green et al., 1999). Zvýšená hustota je způsobena přítomností nabobtnalé G-vrstvy. Díky této vrstvě, která zvyšuje hustotu, má TW lepší propustnost než NW (Hoffmayer, 1987). Sesychání je také ovlivněno hustotou a to tak, že s vyšší hustotou se hodnota sesychání snižuje (Tarmian et al., 2009). Obrázek 13. A normální dřevo, B tahové dřevo Poplar, PW primární buněčná stěna, S1 a S2 sekundární buněčná stěna, G želatinová vrstva (Pilate et al., 2004) 35

Z uvedených hodnot v tab. (13) je jasně zřejmé, že hustota tahového dřeva je oproti dřevu normálnímu zvýšená. Ruelle (2007) ale uvedl, že existují stromy, které mají v TW oblasti hustotu nižší. To však neplatí pro dřeviny v ČR. Tabulka 13. Hustota opačného (OW) a tahového (TW) dřeva buku Fagus silvatica z pěti vzorků (Tarmian et al., 2009) Hustota opačného a tahového dřeva vzorek 1 vzorek 2 vzorek 3 vzorek 4 vzorek 5 Průměr OW 959 848 790 831 905 867 TW 780 867 867 875 1007 879 Poměr 0,813 1,022 1,097 1,053 1,113 1,014 Obrázek 14. Poměry hustoty TW/OW podle dat z tab. (13) Na obr. (14) lze vidět, že hustota tahového dřeva se výrazně neliší od dřeva normálního. Hodnota poměru jen slabě překračuje 1. V jednom případě dokonce klesne až k 0, 8. Přítomnost tahového dřeva v kmeni nemá výraznější vliv na hustotu dřeva. 4.7.4.3 Diskuze Hustota reakčního dřeva Hustota tlakového dřeva je výrazně zvýšená oproti dřevu normálnímu. Příčinou rozdílné hustoty u tlakového dřeva je zvýšený kambiální růst, zakulacené tlustostěnné tracheidy s vyšším obsahem ligninu a vyšší zastoupení letního dřeva v tlakových letokruzích (Warensjö, 2003; Gryc, 2005; Novák, 2006; Diaz-vaz et al., 2009). 36

Rozdílné hodnoty u jednotlivých tlakových dřev mohou být také ovlivněny autorem a jeho postupy při zpracování údajů, rozdílným stanovištěm (zeměpisná šířka a nadmořská výška) jednotlivých stromů a v neposlední řadě i odlišným stupněm rozvinutí tlakového dřeva. Tyto údaje však nebyly autory uvedeny. Bylo by vhodné sjednotit podmínky zkoušky a přikládat i doprovodné informace, z kterých by se daly statisticky vyhodnotit významné závislosti. Hustota tahového dřeva je zvýšena jen minimálně (5 10 %) (Hoffmayer, 1987; Green et al., 1999). Tahové dřevo nemá ke zvýšené hustotě předpoklady a vhodné komponenty. TW na rozdíl od CW nemá zvýšený obsah stlačeného ligninu, nýbrž vysoce nabobtnanou celulózu. Nabobtnalé celulózy je potřeba v reakčním dřevě mnohem menší množství než stlačeného ligninu. 4.7.5 Optické vlastnosti 4.7.5.1 Optické vlastnosti dřeva Optickými vlastnostmi se rozumí zbarvení dřeva. Každá dřevina má charakteristické zbarvení, které se liší v rámci jednotlivých částí dřeva. Barvou se od sebe liší dřeň, jádro, běl a vyzrálé dřevo, dále pak jarní a letní dřevo v jednotlivých letokruzích. 4.7.5.2 Optické vlastnosti reakčního dřeva Tlakové dřevo má také charakteristické zbarvení. Barva tlakového dřeva je ovlivněna jeho chemickým složením. Vyšší obsah ligninu a větší intenzita pohlcování světla vede k temnému zabarvení od tmavě červené až po hnědou (Warensjö, 2003). Barva je také ovlivněna závažností tlakového dřeva (Yamashita et al., 2009). Tmavnutí tlakového dřeva je úměrné zvyšujícímu se úhlu naklonění, není to ale pravidlem (Yumoto a Ishida, 1981). Yumoto a Ishida (1981) řekli, že při překročení naklonění 45 se dále tmavnutí nezvyšuje. Reakční dřevo je v porovnání s normálním dřevem v průchozím světle neprůhledné (Warensjö, 2003). Tohoto rozdílného zbarvení je využíváno na pilách při detekci tlakového dřeva v kmeni. Pily ale musí být vybaveny 3D skenery. Podle Warensjö (2003) má po vystavení světelného záření lehké tlakové dřevo růžové až červené barvy, zatímco těžké tlakové dřevo má barvy tmavě červené až hnědé a to i v přirozeném stavu. Na základě tohoto znaku se tlakové dřevo někdy také označuje jako červené dřevo (Obr. 15.). 37

A B Obrázek 15. Tlakové dřevo zobrazené 3D skenerem. A) růžová, červená lehká komprese, tmavě hnědá těžká komprese. B) žlutá normální dřevo, modrá lehká komprese, červená těžká komprese (Warensjö, 2003) Tahové dřevo není na první pohled barevně odlišeno, spíše naopak. Tahové dřevo má stejnou barvu jako okolní dřevo, pouze je více lesklé (Obr. 16.) (Badia et al., 2005). Změna barvy v tlakovém dřevě je způsobena vyšším obsahem ligninu v tlustostěnných tracheidách, které pohlcují více světla a jsou v průchozím světle neprůhledné (Warensjö, 2003). Tahové dřevo nemá zvýšený obsah ligninu. TW má G-vrstvu jako hlavní komponent reakčního dřeva (Jourez et al., 2001; Yamamoto et al., 2009). Ta je složena z vysoce nabobtnalých celulózových mikrofibril orientovaných podélně s osou kmene kmene (Jourez et al., 2001; Bamber, 2001; Goryšek a Straže, 2006; Lehring et al., 2009; Yamamoto et al., 2009). Vysoký obsah celulózy, která váže velké množství vody, má předpoklady k lesklému vzhledu. Proto i tahové dřevo je na příčném řezu lesklé (Badia et al., 2005). Další optická vlastnost je pouze excentricita dřeně. Jiným optickým znakem přítomnosti TW je zakřivení kmene (Bamber, 2001). Další optické vlastnosti tahového dřeva jsou pouhým okem viditelné jen stěží, nebo je nelze rozlišit vůbec. Obrázek 16. Lesklý povrch tahového dřeva Poplar cultivars (Badia et al., 2005) 38