MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nauky o dřevě Podtlaková impregnace dřeva topolu roztoky chloridu sodného Diplomová práce Brno 2011 Bc. Petr Pařil
Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: Podtlaková impregnace dřeva topolu roztoky chloridu sodného, vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji v přiloženém soupisu literatury. Dále souhlasím, aby byla moje diplomová práce 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. V Brně, dne: Podpis - 2 -
Poděkování Tímto bych chtěl poděkovat hlavně Ing. Aleši Dejmalovi, Ph.D., jakožto vedoucímu mé práce. Další poděkování patří Ing. Drápelovi, CSc. za konzultace ohledně statistické analýzy. Dále Ing. Tippnerovi, Ph.D., a Ing. Zejdovi, Ph.D za rady ohledně mechanických zkoušek. Také musím poděkovat p. Fraňkovi a ostatním, kteří se podíleli na výrobě zkušebních tělísek. Velký dík patří i mé rodině, která mě již od začátku podporovala. V neposlední řadě děkuji všem, co mi přispěli cennými radami či připomínkami. - 3 -
Abstrakt Bc. Petr Pařil Podtlaková impregnace dřeva topolu roztoky chloridu sodného Předmětem diplomové práce je objasnit vliv podtlakové impregnace topolového dřeva (Populus alba L.) vodnými roztoky chloridu sodného na jeho fyzikální a mechanické vlastnosti. Pro srovnání byly vytvořeny skupiny vzorků, z čehož každá skupina představuje určitou koncentraci chloridu sodného ve vodném roztoku. Tyto skupiny byly porovnávány navzájem a také s referenční (neimpregnovanou) skupinou. Po zhodnocení kvality a míry impregnace (WPG aj.) byly vzorky všech skupin podrobeny experimentálním zkouškám, které zahrnují zjištění statické tvrdosti na bočních plochách, meze pevnosti (MOR) a modulu pružnosti (MOE) ve statickém ohybu, navlhavosti a rozměrových změn. Získaná data byla podrobena statistickým analýzám a vyvozené závěry porovnány s údaji jiných autorů. Klíčová slova topol, modifikace dřeva, sůl, chlorid sodný, podtlaková impregnace, tvrdost podle Brinella, mez pevnosti, modul pružnosti, bobtnání, rovnovážná vlhkost - 4 -
Abstract Bc. Petr Pařil Vacuum impregnation of poplar wood by solutions of sodium chloride This thesis clarifies the effect of vacuum impregnation of poplar (Populus alba L.) by aqueous solutions of sodium chloride on the physical and mechanical properties. A group of samples were created for comparison and each group represents a concentration of sodium chloride in aqueous solution. These groups were compared with each other and also with reference (non-impregnated) group. The quality and rate of impregnation were evaluated (WPG, etc.) and specimens of all groups were subjected to experimental tests, which include detection of static hardness on the side surfaces, modulus of rupture (MOR) and modulus of elasticity (MOE) in static bending, moisture absorption and dimensional changes. The final data were subjected to statistical analysis and conclusions were compared with studies of other authors. Keywords poplar, wood modification, salt, sodium chloride, vacuum impregnation, Brinell hardness, modulus of rupture, modulus of elasticity, swelling, equilibrium moisture content - 5 -
Obsah 1 ÚVOD...- 13-2 CÍL PRÁCE...- 14-3 LITERÁRNÍ PŘEHLED...- 15-3.1 Topol (Populus L.)...- 15-3.2 Stavba dřeva topolu...- 16-3.2.1 Makroskopická stavba...- 16-3.2.2 Mikroskopická stavba...- 17-3.2.3 Chemické složení...- 18-3.3 Zpracování a využití topolového dřeva v praxi...- 19-3.4 Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva...- 20-3.5 Hustota...- 20-3.6 Pórovitost...- 20-3.7 Voda ve dřevě...- 21-3.7.1 Vlhkost dřeva...- 21-3.7.2 Navlhavost...- 22-3.7.3 Nasáklivost...- 23-3.8 Pohyb vody ve dřevě...- 23-3.8.1 Difůze...- 23-3.8.2 Kapilární elevace...- 24-3.8.3 Propustnost...- 24-3.9 Rozměrové změny dřeva...- 25-3.10 Napětí a deformace...- 26-3.11 Pevnost dřeva v ohybu...- 27-3.12 Pružnost dřeva v ohybu...- 27-3.13 Tvrdost dřeva...- 28-3.13.1 Statická tvrdost dřeva...- 28-3.14 Chlorid sodný...- 28-3.15 Modifikace dřeva...- 29-3.15.1 Povrchová modifikace...- 31-3.15.2 Komprimační modifikace...- 32-3.15.3 Tepelná modifikace...- 32 - - 6 -
3.15.4 Acetylace...- 34-3.15.5 Furfurylace...- 34-3.15.6 DMDHEU...- 35-3.15.7 Oleje a pryskyřice...- 35-3.15.8 Cukry a soli...- 36-4 MATERIÁL A METODIKA...- 38-4.1 Použité laboratorní zařízení a pomůcky...- 38-4.2 Zkušební tělíska (vzorky)...- 38-4.2.1 Stanovení skupin vzorků a jejich označení...- 38-4.2.2 Měření rozměrů a hmotnosti zkušebních vzorků...- 39-4.3 Příprava impregnačního roztoku...- 41-4.4 Podtlaková impregnace vzorků...- 41-4.4.1 Práce s impregnační linkou a postup impregnace...- 43-4.4.2 Kvalita impregnace...- 44-4.5 Vysušení modifikovaných vzorků...- 44-4.6 Měření modifikovaných vzorků a zhodnocení modifikace...- 45-4.7 Zjišťování vlhkosti po klimatizaci...- 46-4.8 Mechanické zkoušky...- 46-4.8.1 Statická tvrdost...- 46-4.8.2 Statický ohyb...- 48-4.9 Zkoušky navlhavosti a rozměrových změn...- 49-4.10 Vyhodnocení naměřených a vypočítaných dat...- 51-5 VÝSLEDKY...- 52-5.1 Zhodnocení modifikace...- 54-5.1.1 Hmotnostní přírůstek...- 54-5.1.2 Rozdíl hustot u tělísek před a po modifikaci...- 57-5.1.3 Bobtnání vzorků vlivem modifikace při nulové vlhkosti dřeva.- 60-5.2 Rovnovážná vlhkost dřeva po klimatizaci...- 62-5.3 Mechanické zkoušky...- 63-5.3.1 Statická tvrdost na bočních plochách...- 63-5.3.2 Mez pevnosti (MOR) ve statickém ohybu...- 67-5.3.3 Modul pružnosti (MOE) ve statickém ohybu...- 70-5.4 Navlhavost a rozměrové změny...- 72-5.4.1 Rovnovážná vlhkost po uložení tělísek v exsikátorech...- 72 - - 7 -
5.4.2 Bobtnání...- 75-6 DISKUSE...- 79-7 ZÁVĚR...- 83 - CONCLUSION...- 85-8 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...- 87 - - 8 -
Seznam obrázků Obr. 3.1: Topol bílý Populus alba L....- 15 - Obr. 3.2: Jednotlivé řezy topolem...- 16 - Obr. 3.3: Jednotlivé mikroskopické řezy topolem...- 18 - Obr. 3.4: Fotografie krystalů NaCl...- 29 - Obr. 3.5: Struktura buněčné stěny dřeva...- 30 - Obr. 3.6: Rozdílné způsoby ošetření dřeva...- 31 - Obr. 3.7: Princip procesu acetylace anhydritem kys. octové...- 34 - Obr. 4.1: Vybrané a označené tělíska pro impregnaci a následné zkoušky...- 39 - Obr. 4.2: Pracoviště pro zjišťování rozměrů a hmotnosti vzorků...- 40 - Obr. 4.3: Pomůcky pro přípravu impregnačního roztoku...- 41 - Obr. 4.4: Nerezová vanička se souborem vzorků a impregnační směsí...- 42 - Obr. 4.5: Laboratorní vakuově tlaková linka...- 44 - Obr. 4.6: Modifikovaná tělíska v laboratorní sušárně...- 45 - Obr. 4.7: Zkouška statické tvrdosti na zkušebním zařízení Zwick...- 47 - Obr. 4.8: Schéma zkoušky statického ohybu...- 48 - Obr. 4.9: Tělíska uložená v exsikátorech při zkoušce navlhavosti...- 51 - - 9 -
Seznam grafů Graf 3.1: Sorpční izoterma pro borovici lesní při 25 C...- 23 - Graf 3.2: Pracovní diagram...- 26 - Graf 5.1: Ukázka krabicového grafu po odstranění extrémních hodnot...- 52 - Graf 5.2: Ukázka normálního p-grafu a histogramu...- 53 - Graf 5.3: ANOVA závislost WPG na skupině vzorků o délce 30 mm...- 55 - Graf 5.4: ANOVA závislost WPG na skupině vzorků o délce 300 mm...- 56 - Graf 5.5: ANOVA závislost rozdílu ρ 0 na skupině vzorků (30 mm)...- 59 - Graf 5.6: ANOVA - závislost rozdílu ρ 0 na skupině vzorků (300 mm)...- 59 - Graf 5.7: Model lineární regrese - závislost bobtnání vlivem modifikace na WPG..- 62 - Graf 5.8: ANOVA závislost statické tvrdosti H b na skupině vzorků...- 64 - Graf 5.9: Model lineární regrese - závislost tvrdosti na WPG...- 65 - Graf 5.10: Model lineární regrese - závislost tvrdosti na hustotě po modifikaci...- 66 - Graf 5.11: Model lin. regrese - závislost tvrdosti na bobtnání vlivem modifikace...- 66 - Graf 5.12: ANOVA závislost meze pevnosti MOR na skupině vzorků...- 68 - Graf 5.13: Model lin. regrese - závislost meze pevnosti na hmotnostním přírůstku.- 69 - Graf 5.14: Model lin. regrese - závislost meze pevnosti na hustotě po modifikaci...- 69 - Graf 5.15: ANOVA - závislost modulu pružnosti MOE na skupině vzorků...- 70 - Graf 5.16: Model lin. regrese - závislost mod. pružnosti na hmotnostním přírůstku - 71 - Graf 5.17: Model lin. regrese - závislost mod. pružnosti na hustotě po modifikaci..- 72 - Graf 5.18: ANOVA - závislost EMC (RVD) na skupině vzorků...- 73 - Graf 5.19: Model lin. regrese závislost RVD na hmotnostním přírůstku...- 74 - Graf 5.20: Model lin. regrese závislost MEE na hmotnostním přírůstku...- 75 - Graf 5.21: ANOVA - závislost bobtnání S na skupině vzorků...- 76 - Graf 5.22: Model lin. regrese závislost ASE na hmotnostním přírůstku...- 78 - - 10 -
Seznam tabulek Tab. 3.1: Anatomické elementy dřeva listnáčů, jejich funkce a orientace ve dřevě...- 17 - Tab. 3.2: Vlastnosti chloridu sodného...- 29 - Tab. 4.1: Tabulka skupin vzorků s příslušnými koncentracemi soli v roztoku...- 39 - Tab. 4.2: Přehled tlaků a časů pro jednotlivé fáze podtlakové impregnace...- 42 - Tab. 5.1: Popisná statistika pro výsledky WPG u vzorků délky 30 mm...- 54 - Tab. 5.2: Popisná statistika pro výsledky WPG u vzorků délky 300 mm...- 54 - Tab. 5.3: Tukeyův HSD test závislost WPG na skupině vzorků (30 mm)...- 56 - Tab. 5.4: Tukeyův HSD test závislost WPG na skupině vzorků (300 mm)...- 56 - Tab. 5.5: Popisná stat. hustota modifikovaných a referenčních vzorků (30 mm)...- 57 - Tab. 5.6: Popisná stat. hustota modifikovaných a referenčních vzorků (300 mm).- 57 - Tab. 5.7: Popisná statistika pro rozdíl hustot před a po modifikaci (30 mm)...- 58 - Tab. 5.8: Popisná statistika pro rozdíl hustot před a po modifikaci (300 mm)...- 58 - Tab. 5.9: Tukeyův HSD test závislost rozdílu ρ 0 na skupině vzorků (30 mm)...- 60 - Tab. 5.10: Tukeyův HSD test závislost rozdílu ρ 0 na skupině vzorků (300 mm)...- 60 - Tab. 5.11: Popisná statistika pro plošné bobtnání α S...- 61 - Tab. 5.12: Popisná statistika pro podélné bobtnání α L...- 61 - Tab. 5.13: Popisná statistika pro objemové bobtnání α V...- 61 - Tab. 5.14: Popisná st. - výsledky vlhkostí po klimatizaci u vzorků o délce 30 mm...- 63 - Tab. 5.15: Popisná st. - výsledky vlhkostí po klimatizaci u vzorků o délce 300 mm.- 63 - Tab. 5.16: Popisná statistika pro statickou tvrdost H b...- 64 - Tab. 5.17: Tukeyův HSD test závislost statické tvrdosti na skupině vzorků...- 65 - Tab. 5.18: Popisná statistika pro mez pevnosti MOR...- 67 - Tab. 5.19: Tukeyův HSD test závislost meze pevnosti na skupině vzorků...- 68 - Tab. 5.20: Popisná statistika pro modul pružnosti MOE...- 70 - Tab. 5.21: Tukeyův HSD test závislost modulu pružnosti na skupině vzorků...- 71 - Tab. 5.22: Popisná statistika pro rovnovážnou vlhkost...- 72 - Tab. 5.23: Tukeyův HSD test závislost EMC (RVD) na skupině vzorků...- 73 - Tab. 5.24: Popisná statistika pro efektivitu omezení příjmu vlhkosti...- 75 - Tab. 5.25: Popisná statistika pro bobtnání vlivem příjmu vlhkosti...- 76 - Tab. 5.26: Tukeyův HSD test závislost bobtnání S na skupině vzorků...- 77 - Tab. 5.27: Popisná statistika pro efektivitu omezení bobtnání...- 77 - - 11 -
Seznam zkratek a odborných termínů ANOVA jednofaktorová analýza rozptylu ASE anti-swelling (anti-shrink) efficiency (efektivita omezení bobtnání) BS buněčná stěna (cell wall) DMDHEU dimethylol dihydroxy ethylene urea EMC (RVD) equilibrium moisture content (rovnovážná vlhkost dřeva) H B MEE MH MNBS MOE MOR NaCl nm OH- skupiny pm RH (φ) tvrdost podle Brinella moisture exclusion efficiency (efektivita omezení příjmu vlhkosti) mez hygroskopicity mez nasycení buněčných stěn modulus of elasticity (modul pružnosti) modulus of rupture (mez pevnosti) chlorid sodný, sůl, kuchyňská sůl nanometr (10-9 metru) hydroxylové skupiny pikometr (10-12 metru) relativní vzdušná vlhkost (relative humidity) UF pryskyřice močovino-formaldehydová pryskyřice (urea-formaldehyde) UV-stabilita odolnost vůči ultrafialovému záření WPG weight percentage gain (hmotnostní přírůstek) µm mikrometr (10-6 metru) - 12 -
1 ÚVOD Dřevo má i v dnešní době, plné syntetických materiálu, své nezastupitelné místo. Možnosti použití dřeva jsou velmi rozmanité, od energetického využití až po různé dřevěné výrobky. Tento přírodní materiál, jež provází lidstvo už od prvopočátku, se upravuje nejrůznějšími způsoby, ať už se jedná o dezintegraci, lisování, ohýbání, lepení, povrchovou úpravu, impregnaci, sušení, tepelné ošetření apod. Pokud upravujeme jeho fyzikální a mechanické vlastnosti můžeme mluvit o modifikaci dřeva. Upravovat vlastnosti dřeva se lidstvo snaží už několik tisíce let, což lze doložit historickými prameny. Zpočátku se jednalo hlavně o ošetření dřeva přírodními pryskyřicemi nebo dehtem. Později se pro impregnaci používaly látky jako chlorid rtuti, síran měďnatý, kreozot aj. Problém většiny těchto látek je jejich jedovatost. Některé nebezpečné biocidní prostředky pro ochranu dřeva se používají doteď a neustálý politický a spotřebitelský tlak je z trhu vytlačuje. Jednou z dalších možností je použití trvanlivějšího a odolnějšího dřeva tropických dřevin, ale v poslední době je problém s jeho dostupností a rostoucí cenou. V oblasti vědecké vzniká mnoho studií, které se modifikacemi dřeva zabývají a dobře je shrnují pořádané konference (ECWM European Conference on Wood Modification). Několik desítek let tedy lze pozorovat vývoj modifikačních technologií založených na impregnaci látkami netoxickými a ekologicky přijatelnějšími. Zde hraje i velmi významnou roli cena modifikovaného dřeva, která je ve větší míře závislá na použitých materiálech a technologických postupech. Důležitou roli má i podvědomí a informovanost spotřebitelů. Nicméně některé produkty už na trh pronikly, je to např. finský Thermowood (vysokoteplotní úprava) nebo nizozemská Accoya (ošetření anhydritem kyseliny octové). Modifikované dřevo je tedy většinou nabízeno jako substitut ke dřevu tropických dřevin a hlavními výhodami většiny nabízených modifikovaných dřev je lepší rozměrová stabilita, odolnost vůči klimatickým a biologickým vlivům, netoxicita a fakt, že se jedná o materiál na přírodní bázi. V poslední době je patrná zvyšující se poptávka spotřebitelů po ekologických (eco-friendly) produktech a proto zde spatřuji velký potenciál. Potvrzuje to i fakt, že nadnárodní společnost Stora Enso má ve své nabídce tepelně upravené dřevo (patent Thermowood) a také dokládá použití dřeva na jeho výrobu z obnovitelných zdrojů certifikovaných systémem PEFC. Budoucnost modifikací dřeva pro materiálové inženýrství a trh je tedy stále otevřená a skýtá velký potenciál. - 13 -
2 CÍL PRÁCE Cílem diplomové práce je podtlakově impregnovat vzorky topolového dřeva roztoky chloridu sodného o pěti koncentracích a poté takto modifikované a referenční (nemodifikované) vzorky podrobit experimentálním zkouškám. Mezi zjišťované fyzikální a mechanické vlastnosti patří rozměrové a hmotnostní změny, hustota, rovnovážná vlhkost, statická tvrdost, mez pevnosti a modul pružnosti ve statickém ohybu. Srovnávat se budou hodnoty u vzorků před a po modifikaci nebo se budou porovnávat hodnoty zjištěné u modifikovaných a referenčních vzorků. Za hlavní cíl si kladu zjistit, jakou mírou ovlivní modifikace statickou tvrdost, rozměrové změny a také rovnovážnou vlhkost dřeva při různých podmínkách okolního prostředí. Touto prací chci přispět k poznatkům v oblasti modifikací dřeva a také porovnat relevantní výsledky s autory, kteří se touto problematikou zabývali doposud. Posledním cílem bude zhodnotit možnosti využití modifikovaného materiálu v praxi a navrhnout některé podněty pro další výzkumnou činnost. - 14 -
3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Topol (Populus L.) Topol je rod a patří do čeledi vrbovitých. Jsou to dvoudomé opadavé stromy. Topoly se vyskytují v celém subtropickém, mírném a boreálním pásu severní polokoule. Celkem existuje 40-110 druhů. V České republice jsou domácí tři druhy a jeden kříženec. Topoly jsou cíleně pěstovány na produkci biomasy, jelikož patří mezi rychle rostoucí dřeviny s měkkým dřevem. V poslední době se začínají pěstovat různé šlechtěné hybridy, mezi které patří např. topol kanadský (Populus x canadensis) a topol šedý (Populus canescens). Topol osika (Populus tremula L.) je rozšířen po celé České republice (kromě vyšších hor). Další druhy které se zde vyskytují jsou topol bílý (Populus alba L.) a topol černý (Populus nigra L.) (Wikipedia 2010). Obr. 3.1: Topol bílý Populus alba L. (http://www.rostliny.net). - 15 -
3.2 Stavba dřeva topolu Stavba dřeva je jedním ze základních poznatků o dřevě. Pro tuto práci má význam z hlediska jednotlivých elementů dřeva a jejich stavby a velikosti. Tyto poznatky budou předcházet impregnačním metodám, krystalizaci soli a reakcím dřeva a impregnační látky. Bez elementárních znalostí stavby dřeva by nebylo možné pochopit jevy probíhající při modifikaci dřeva. V následujících kapitolách bude shrnut literární přehled z makroskopické i mikroskopické stavby a také chemického složení. 3.2.1 Makroskopická stavba Dřevo topolu patří mezi listnáče s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva, tudíž nemá výrazně rozlišené jarní a letní dřevo. Samotné letokruhy jsou u topolu těžce rozpoznatelné a nezřetelné. V celém letokruhu se vyskytují úzké cévy, které nejsou makroskopicky zřetelné (Šlezingerová, Gandelová 2002). Topolové dřevo patří mezi jádrová (kromě osikového, které je bělové). Jádro je světlohnědé, šedohnědé, zelenohnědé, až tmavohnědé a běl bílá až nahnědlá. Cévy tvoří na podélných řezech rýhy a dřeňové paprsky jsou nezřetelné (Šlezingerová, Gandelová 2008). Obr. 3.2: Jednotlivé řezy topolem (http://wood.mendelu.cz). příčný řez tangenciální řez radiální řez - 16 -
3.2.2 Mikroskopická stavba Dřevo listnáčů má složitější stavbu než jehličnany, protože je vývojově mladší. Ve srovnání s jehličnany má větší počet anatomických elementů, které jsou přizpůsobeny své funkci. Tyto elementy mají rozdílnou velikost a tvar. Přehled základních anatomických elementů dřeva listnáčů je zobrazeno v Tab. 3.1 (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2009). druh buněk hlavní funkce uložení cévy (tracheje) cévovité tracheidy vláknité tracheidy vazicentrické tracheidy libriformní vlákna vodivá vodivá mechanická vodivá mechanická ve směru podélné osy kmene parenchymatické buňky axiálního parenchymu epitelové buňky kanálků zásobní vylučovací parenchymatické buňky dřeňových paprsků epitelové buňky kanálků vodivá, zásobní vylučovací kolmo na osu kmene Tab. 3.1: Anatomické elementy dřeva listnáčů, jejich funkce a orientace ve dřevě. Cévy (tracheje) mají u dřeva topolu příčné rozměry v rozmezí od 20 do 150 µm a délku 200 až 800 µm, jelikož patří do skupin dřev s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva. Topolové dřevo má cévy uspořádány v radiálních skupinkách do čtyř, výjimečně i více. Perforace cév je jednoduchá a ojediněle mohou cévy obsahovat thyly. Dřeňové paprsky jsou homogenní a jednovrstevné. Axiální parenchym je převážně apotracheální a hraniční (Šlezingerová, Gandelová 2008). - 17 -
příčný řez tangenciální řez radiální řez Obr. 3.3: Jednotlivé mikroskopické řezy topolem (http://wood.mendelu.cz). 3.2.3 Chemické složení Dřevo je po chemické stránce velmi složitý komplex různých látek. Hlavní složky dřeva jsou tzv. přírodní polymery (biopolymery) mezi něž patří celulóza, hemicelulózy a lignin. Celkové zastoupení v dřevním komplexu je 90 97 %. Zbytek tvoří další organické a anorganické látky, jež se nazývají doprovodné (akcesorické) složky dřeva. Celulóza vytváří kostru zdřevnatělých buněčných stěn anatomických elementů dřeva. Dřevo listnáčů obsahuje 41 48 % celulózy. Čistá celulóza tvoří vláknité makromolekuly, které vznikají spojením zbytků D glukózy (β D glukopyranózy), (1 4) glykozidovými vazbami, tj. vazbami mezi prvním uhlíkem jedné a čtvrtým uhlíkem druhé molekuly. Sloučením dvou molekul β D glukopyranózy vzniká disacharid celobióza, která je základní stavební jednotkou celulózy. Vláknité makromolekuly celulózy se mohou prostřednictvím vodíkových můstků (přes hydroxylové OH skupiny) spojovat a vytvářet nadmolekulovou strukturu celulózy (vznik fibril a mikrofibril). U části celulózy jsou vodíkové vazby rozloženy pravidelně - 18 -
(mřížka krystalu), proto mluvíme o tzv. krystalické části celulózy. U nativní celulózy představuje asi 70 % celulózy a u izolované kolem 40 %. Zbytek tvoří tzv. amorfní část celulózy. Voda vnikající do buněčných stěn dřeva se adsorbuje především na volné OH skupiny amorfních oblastí celulózy a na povrch krystalitů. Kromě celulózy se ve dřevě vyskytují další polysacharidy, které se nazývají hemicelulózy. Kromě D glukózy obsahují různé monosacharidy (např. D xylóza, D galaktóza, L arabinóza a uronové kyseliny). Oproti celulóze má nižší stupeň polymerizace a tím i nižší relativní molekulovou hmotnost a také nízký podíl krystalické části. Hemicelulózy tvoří tmelící vrstvu mezi celulózovými řetězcovými makromolekulami a váže se na ně lignin. Dřevo listnáčů obsahuje v průměru 20 35 % hemicelulóz. Podle převládajících základních monosacharidů se dělí nejčastěji na xylany, manany (event. glukomanany) a galaktany. Lignin má ve dřevě listnáčů zastoupení 15-30 %. Dodává dřevu pevnost a obaluje polysacharidy buněčné stěny, se kterými je do určité míry spojen chemickými vazbami (především s hemicelulózami) a tvoří tzv. lignopolysacharidové komplexy (LPC). Ukládání ligninu do stěn buněk se nazývá lignifikace (dřevnatění). Nejvíce ligninu se ukládá do střední lamely a primární buněčné stěny anatomických elementů dřeva. Lignin je látka amorfní, hydrofobní, termoplastická a má velkou absorpci světla. Mezi hlavní složky anorganických sloučenin dřeva jsou vápenaté, draselné a hořečnaté soli. Mimo celulózu a hemicelulózu obsahuje dřevo také malé množství polysacharidů zásobního charakteru (škrob), stavební polysacharidy (pektiny), polyuronidy, některé monosacharidy a heteroglykozidy. Kromě ligninu jsou ve dřevě přítomny další fenolické látky. Dřevo topolu obsahuje kyselinu hydroxybenzoovou, vanilovou, felurovou aj. Dřevo dále obsahuje terpeny, alkoholy, acyklické kyseliny, bílkoviny a další látky (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2009). 3.3 Zpracování a využití topolového dřeva v praxi Mezi výhody topolového dřeva patří jeho dobrá opracovatelnost, dobře se moří a impregnuje a rychle se suší. Naopak nevýhodou je malá trvanlivost a tvrdost (dřevo je měkké a lehké). Používá se na výrobu dýh, překližek, dřevotřískových a dřevovláknitých desek, zápalek, částí hudebních nástrojů, používá se v celulózopapírenském průmyslu (Šlezingerová, Gandelová 2008). - 19 -
3.4 Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva Jelikož se práce zabývá modifikací dřeva, která zapříčiní změnu jeho fyzikálních a mechanických vlastností, je zapotřebí popsat teoretické a obecné poznatky této problematiky. Jednotlivé vlastnosti dřeva budou shrnuty v následujících kapitolách. 3.5 Hustota Ve srovnání s jinými materiály je určení hustoty u dřeva poměrně obtížné vzhledem k jeho hygroskopicitě. Jak hmotnost tak i objem dřeva jsou velmi ovlivněny vlhkostí dřeva. Přesto jde o jednu z nejvýznamnějších charakteristik dřeva, která významně ovlivňuje většinu fyzikálních a mechanických vlastností dřeva. Hustotu dřeva můžeme považovat za nejlepší kritérium pro posuzování vlastností dřeva. Je-li těleso homogenní a existuje-li limita objemu tělesa, hovoříme o hustotě, v ostatních případech zavádíme pojem objemová hmotnost (pro potřeby této práce bude uváděn pojem hustota, i když se podle správné terminologie jedná o objemovou hmotnost). V obou případech veličinu značíme ρ a jednotkou je kg m -3. Hustota dřeva o určité vlhkosti w (w 0 %) se vypočítá podle následujícího vztahu (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2009). ρ w 3 ( kg ) mw = m V w kde: ρ w - hustota dřeva při w (kg m -3 ), m w hmotnost dřeva při w (kg), V w objem dřeva při w (m 3 ) Literatura uvádí hodnotu průměrné hustoty topolového dřeva ρ 0 = 390 kg m -3 a ρ 12 = 420 kg m -3 (Šlezingerová, Gandelová 2008). 3.6 Pórovitost Dřevo je velmi porézní materiál a objem jeho pórů (lumeny buněk a mezibuněčné prostory) často převyšuje objem buněčných stěn. Póry tvoří vzájemně propojený kapilární systém, který může být zcela zaplněn tekutinou či plynem nebo bývá u mnoha dřevin redukován vyluhovatelnými látkami nebo thylami. Snížení teoretické pórovitosti pak sice vede k nižšímu příjmu vody, ale tudíž k obtížnější proimpregnovatelnosti. Pokud je hustota dřevní substance mezi dřevy téměř neměnná, - 20 -
závisí tedy hustota zejména na anatomické stavbě. Mikropóry buněčných stěn, lumeny buněk a mezibuněčné prostory tvoří póry o průměrech 1nm 500 µm. Pórovitost je nepřímo závislá na hustotě dřeva. Z technologického hlediska má velký význam při procesu impregnace, sušení a povrchové úpravy dřeva. Pórovitost dřeva lze například využít k výpočtu maximálního množství látky (kapaliny), kterou lze impregnací dostat do dřeva (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2009). U roztroušeně pórovitých dřev mají cévy přibližně stejný rozměr v rámci celého letokruhu a okem nejsou rozlišitelné (Požgaj 1997). 3.7 Voda ve dřevě 3.7.1 Vlhkost dřeva Vlhkostí dřeva rozumíme obsah vody ve dřevě, jež může být vyjádřená podílem hmotnosti vody ke hmotnosti mokrého dřeva relativní vlhkost w rel nebo podílem hmotnosti vody ke hmotnosti absolutně suchého dřeva absolutní vlhkost w abs. Vyjadřuje se v procentech a vypočítá podle následujících vztahů. w abs = m w m m 0 0 100 (%) w rel = mw m 0 100 m w (%) kde: m w je hmotnost vlhkého dřeva (kg, g), m 0 je hmotnost absolutně suchého dřeva (kg, g) Absolutní vlhkost používáme pro charakteristiku fyzikálních a mechanických vlastností dřeva a relativní vlhkost při jeho prodeji nebo nákupu. Vlhkost dřeva z hlediska uložení vody můžeme rozdělit na: Vodu chemicky vázanou - která je součástí chemických sloučenin. Nelze ji ze dřeva odstranit sušením, ale pouze spálením, proto je ve dřevě zastoupena i při nulové absolutní vlhkosti dřeva. Zjišťuje se při chemických analýzách dřeva a její celkové množství představuje 1 2 % sušiny dřeva. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností nemá žádný význam. Vodu vázanou (hygroskopickou) která se nachází v buněčných stěnách a je vázána vodíkovými můstky na hydroxylové skupiny OH amorfní části celulózy a - 21 -
hemicelulóz. Voda vázaná se ve dřevě vyskytuje při vlhkostech 0 30 %. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností má největší a zásadní význam. Vodu volnou (kapilární) - která vyplňuje ve dřevě lumeny buněk a mezibuněčné prostory. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností má podstatně menší význam než voda vázaná. Hranice mezi vodou volnou a vázanou se označuje jako BNV (bod nasycení vláken). Dále rozeznáváme MNBS (mez nasycení buněčných stěn) a MH (mez hygroskopicity). Rozdíl mezi těmito termíny spočívá v prostředí, ve kterém je dřevo uloženo, a zda jde o vodu ve skupenství kapalném u MNBS nebo skupenství plynném u MH. Při teplotě 15 20 C mají obě veličiny přibližně stejnou hodnotu (kolem 30 %), ale na rozdíl od MNBS je MH závislá na teplotě prostředí a s rostoucí teplotou klesá (Gandelová et al. 2002, Horáček et al. 2008). 3.7.2 Navlhavost Mikrokapilární systém představuje fibrilární struktura buněčné stěny, která je tvořena intermicelárními a interfibrilárními prostory, které vytvářejí kapiláry o průměru 1-1000 nm. Tento systém je zapojen do poutání vodní páry (plynů) ze vzduchu a vody vázané. Za podmínek normálního atmosférického tlaku jsou relativní vzdušná vlhkost a absolutní teplota vzduchu zásadní parametry, které ovlivňují navlhavost a rovnovážnou vlhkost dřeva. Dřevo mění svoji vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí díky adsorpci. Adsorpcí dřeva rozumíme poutání plynné, nebo kapalné látky na měrném vnitřním povrchu dřeva. Měrný vnitřní povrch dřeva je tvořen fibrilární strukturou submikroskopické stavby buněčné stěny. Vlhkost dřeva, která se ustálí při daných podmínkách prostředí (relativní vzdušná vlhkost a teplota) se nazývá rovnovážnou vlhkostí dřeva RVD. Stav, který je takto dosažen se potom nazývá stavem vlhkostní rovnováhy SVR. V angličtině se používá termín EMC (equilibrium moisture content). Proces změny vlhkosti dřeva v závislosti na relativní vzdušné vlhkosti a teplotě prostředí je vratný, ale ne po stejné křivce (hystereze sorpce). Závislost RVD na relativní vlhkosti vzduchu při konstantní teplotě se nazývá sorpční izoterma (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2009). Ukázka sorpční izotermy je zobrazena v následujícím grafu. - 22 -
Graf 3.1: Sorpční izoterma pro borovici lesní při 25 C (Peydecastaing 2008) 3.7.3 Nasáklivost Jedná se o schopnost dřeva poutat vodu (popřípadě jiné látky) v kapalné formě důsledkem pórovitosti dřeva. Množství volné vody je závislé především na objemu pórů ve dřevě a můžeme říci, že se nasáklivost zmenšuje se zvyšující se hustotou. Nasáklivost se zrychluje, pokud se zvyšuje teplota. 3.8 Pohyb vody ve dřevě Tekutiny (kapaliny a plyny) se ve dřevě pohybují dvěmi základními způsoby objemovým tokem a molekulárním tokem. Objemový tok probíhá v mezo- a makrokapilárách pod vlivem gradientu statického nebo kapilárního tlaku. Molekulární tok zahrnuje pohyb plynů v lumenech buněk přes ztenčeniny buněčných stěn a pohyb vody vázané v mikrokapilárách buněčné stěny. Praktickou aplikací objemového toku je tlaková impregnace ochranných látek do dřeva a impregnace monomery. Velikost objemového toku dřevem je dána jeho propustností (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2009). Pohyb tekutiny má praktický význam při sušení, impregnaci či plastifikaci. Hybnými silami toho to pohybu jsou vlhkostní spád, kapilární tlak, osmotický tlak aj. (Požgaj 1997). 3.8.1 Difůze Difúze charakterizuje ve dřevě pohyb vody vázané a hybnou silou je pouze gradient koncentrace, pod kterým si můžeme představit např. nerovnoměrně rozloženou - 23 -
vlhkost ve dřevě, ale i nerovnoměrně rozložené teplotní pole či chemický potenciál vody. Mechanismus pohybu vody vázané vychází z teorie sorpce, která má dvě fáze: Monomolekulární sorpce předpokládá, že molekuly vody jsou poutány vodíkovými můstky sorpčních míst neorientovaných amorfních oblastí celulózových řetězců. Na vnitřním povrchu dřeva se nacházejí izolovaná sorpční místa tvořená volnými OHskupinami. Pravděpodobně je na každém volném sorpčním místě navázána jedna molekula vody. Polymolekulární sorpce je stav, kdy se nad vrstvou molekul vody poutaných přes vodíkové můstky sorpčních míst amorfní části celulózy adsorbují další molekuly, které vytvářejí polymolekulární vrstvu. Tato vrstva je tvořena až pěti řadami molekul vody, které jsou na povrchu monomolekulární vrstvy drženy Van der Waalsovými mezimolekulárními silami, elektrostatickými silami a částečně i slábnoucími silami vodíkových můstků sorpčních míst. 3.8.2 Kapilární elevace Kapilární elevace popisuje pohyb vody volné v kapilární struktuře dřeva. Při relativní vlhkosti vzduchu vyšší než 70 % dochází v mikro- a mezokapilárách ke kapilární kondenzaci, která závisí na poloměru kapilár. Zvláště v mezokapilárách buněčné stěny o poloměru 5.10-8 - 10-6 m může docházet ke kondenzaci vzdušné vlhkosti již při relativní vzdušné vlhkosti nižší než stav nasycení (Horáček et al. 2008). 3.8.3 Propustnost Propustnost je fyzikální vlastnost, při které probíhá objemový tok tekutin přes dřevo, který je vyvolaný gradientem statického nebo kapilárního tlaku. Tento proces označujeme jako hydrodynamický pohyb. Pórovitost dřeva je jednou z podmínek a měřítek pro propustnost. Další podmínkou je spojitost a volnost kapilárního systému, tedy propojení lumenů buněk perforovanými přehrádkami cév, ztenčeninami buněčných stěn nebo křížovými poli dřeňových paprsků. Vodivé cesty jsou v tomto případě makroa mezokapiláry, jejichž průměr je větší než 10-7 m. Jako u difúze, i zde rozeznáváme stacionární a nestacionární podmínky a tok látek ve dřevě může být laminární (viskózní), turbulentní a nelineární. - 24 -
Propustnost je popsána rychlostí proudění kapaliny skrze jednotkovou krychli dřeva s jednotkovým rozdílem tlaků na opačných stěnách krychle (Gandelová a kol. 2002, Horáček et al. 2008). 3.9 Rozměrové změny dřeva Mění-li se vlhkost dřeva v rozsahu vody vázané, dřevo podléhá rozměrovým změnám - hygroexpanzi rozměrů. Sesychání a bobtnání je lokalizováno v buněčné stěně, kde dochází k oddalování či přibližování fibrilární struktury. Významný vliv na velikost sesýchání a bobtnání má orientace fibril v buněčné stěně. Vzhledem k tomu, že největší podíl z buněčné stěny připadá na S 2 vrstvu sekundární buněčné stěny (až 90 %), kde se orientace fibril příliš neodklání od podélné osy kmene (15-30 ), dochází k maximálnímu sesýchání a bobtnání ve směru napříč vláken. Malé rozměrové změny v podélném směru se vysvětlují tím, že molekuly vody nemohou vnikat mezi fibrily do valenčního řetězce v podélném spojení. Bobtnáním α nazýváme schopnost dřeva zvětšovat svoje lineární rozměry, plochu, nebo objem při přijímání vázané vody v rozsahu vlhkosti 0 % - MH (MNBS). Bobtnání se vyjadřuje podílem změny rozměru k původní hodnotě podle následujícího vztahu (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2009). α = i a iw2 a a iw1 iw1 100 (%) kde: α bobtnání (%), a rozměr, plocha nebo objem tělesa (mm, mm 2, mm 3 ), i index udávající směr, plochu nebo objem, w 2 vlhkost po bobtnání (%), w 1 vlhkost před bobtnáním (%) Objem nabobtnalého dřeva je o něco menší než součet objemu dřeva před nabobtnáním a objemu vody, kterou dřevo příjme. Toto zmenšení objemu systému dřevo voda se v literatuře často popisuje jako kontrakce vody ve dřevě. Vysvětluje se tím, že voda v buněčných stěnách je pod značným tlakem, v důsledku čehož má menší objem. Kontrakce nastává jen při zvýšení vlhkosti od 0 % do 6 %, to je voda, která vytváří monomolekulární vrstvu. Další množství pohlcené vody už takové míře stlačení nepodléhá (Požgaj 1997). - 25 -
3.10 Napětí a deformace Napětí ve dřevě představuje míru vnitřních sil, které vznikají v tělese jako výsledek vyvolaný vnějšími mechanickými silami. Napětí je výslednicí poměru diferenciálu síly a plochy namáhaného průřezu. Je-li rozložení síly na plochu rovnoměrné, napětí se vyjadřuje prostým podílem síly a plochy. Napětí ve dřevě se dělí podle směru působení vnější síly. Jestliže působí síla na plochu průřezu kolmo, vyvolává tzv. normálové napětí (σ). Působí-li v rovině průřezu, vzniká tangenciální (smykové) napětí (τ). Deformací (ε) se rozumí změna tvaru a rozměru dřeva vyvolaná působením mechanických sil. Po kvalitativní stránce se deformace rozděluje na: pružné deformace (εp) deformace pružné v čase (εč) plastické deformace (εpl) Závislost mezi napětím a deformací lze vyjádřit empirickou křivkou zvanou pracovní diagram (Graf 3.2), který můžeme rozdělit na dvě části. Na lineární část po mez úměrnosti (σú) a nelineární část po mez pevnosti (σp). Mez úměrnosti je definována jako horní hranice napětí, při kterých vznikají pouze pružné deformace, případně deformace pružné v čase. To znamená, že po uvolnění působící síly se těleso vrací do původního tvaru. V nelineární oblasti od meze úměrnosti po mez pevnosti vznikají ve dřevě kromě deformací pružných a pružných v čase i deformace plastické nevratné (Požgaj 1997). Graf 3.2: Pracovní diagram (Požgaj 1997) - 26 -
3.11 Pevnost dřeva v ohybu Zpravidla se sleduje a používá pevnost dřeva v ohybu napříč vláken. Při zkoušení dřeva se orientují zkušební tělesa obvykle tak, aby zatížení působilo napříč vláken v tangenciálním směru (tangenciální ohyb). Větší rozdíly mezi pevností dřeva v ohybu v radiálním a tangenciálním směru byly zjištěny jen u dřeva jehličnatých dřevin (mez pevnosti v tangenciálním směru je o 10-12% větší než v radiálním směru). U listnatých dřevin jsou hodnoty meze pevnosti dřeva při statickém ohybu v obou směrech prakticky stejné (rozdíly maximálně 2-4%). Při zatížení tělesa vzniká v jeho horní části napětí v tlaku a ve spodní části v tahu. Nedeformovaná část v tělese bez normálového napětí se označuje jako neutrální osa. Mezi tahovým a tlakovým napětím je smykové napětí. Vzhledem k tomu, že tlaková pevnost dřeva podél vláken je mnohem menší než tahová pevnost, začíná porušení tělesa při ohybu v tlakové zóně vybočováním vláken, což je málokdy pozorovatelné pouhým okem. Konečné porušení tělesa probíhá v tahové zóně, kdy po překročení meze pevnosti dojde nejdříve k odštěpení krajních vláken a potom k úplnému zlomení tělesa. Dřevo křehké, málo pevné má zlom téměř hladký. Houževnaté, pevné dřevo má zlom vláknitý nebo třískovitý (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2009). 3.12 Pružnost dřeva v ohybu Pružnost dřeva je všeobecně definována jako schopnost dřeva dosahovat původní tvar a rozměry po uvolnění vnějších sil. Moduly pružnosti vyjadřují vnitřní odpor materiálu proti pružné deformaci. Čím je modul pružnosti větší, tím větší napětí je potřebné na vyvolání deformací. V ohybu se udává pouze modul pružnosti kolmo na vlákna a zkouší se prakticky jen v tangenciálním směru. Odvození modulu pružnosti v ohybu vychází z normálového namáhání tělesa způsobeného ohybovým momentem. Při zatížení dřevěného nosníku je konkávní strana namáhána na tlak a strana konvexní na tah. Neutrální osa přibližně uprostřed tělesa je nezatížena. Postupy výpočtů pro zkoušky pevnosti a pružnosti dřeva v ohybu jsou uvedeny v kapitole 4.8.2: Statický ohyb. - 27 -
3.13 Tvrdost dřeva Tvrdostí charakterizujeme schopnost dřeva klást odpor proti vnikání jiného tělesa do jeho struktury. Tvrdost dřeva má význam při opracování řeznými nástroji (řezání, loupání, hoblování, frézování) a v případech, kdy se dřevo odírá (pracovní desky, stolové desky, podlahy, venkovní parkety, schody atd.). Podle druhu zatížení se rozlišuje statická a dynamická tvrdost. 3.13.1 Statická tvrdost dřeva Zjišťování statické tvrdosti dřeva spočívá v zatlačování ocelové kuličky daného průměru statickým zatížením na čelních, radiálních a tangenciálních plochách dřeva. Tuto vlastnost můžeme stanovit dvěmi metodami, podle Brinella (H B ) a podle Janky (H J ). Statická tvrdost (H B i H J ) je obecně vyšší na příčné než na podélných rovinách. U dřeva jehličnanů činí tento rozdíl 40%, u listnáčů 30%. U většiny druhů dřev nenacházíme rozdíly mezi tvrdostí na radiální a tangenciální ploše (např. topol). Pouze u listnatých druhů s dobře vyvinutými dřeňovými paprsky (dub, buk) je radiální tvrdost o něco větší (5-10%) než tangenciální. Topol patří do skupiny měkkých dřev (do 30 N mm -2 ) pro statickou tvrdost na bočních plochách při 12 % vlhkosti dřeva (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2009). Postupy výpočtů pro zkoušky statické tvrdosti jsou uvedeny v kapitole 4.8.1: Statická tvrdost. 3.14 Chlorid sodný Chlorid sodný (sumární vzorec - NaCl) je známý v běžném životě pod označením kuchyňská sůl a nejčastěji prostě sůl. Je to chemická sloučenina, vyskytující se v přírodě v podobě nerostu halitu, známého též pod označením sůl kamenná. Je to velmi důležitá sloučenina potřebná pro životní funkce většiny organismů. Krystalický chlorid sodný je bezbarvý nebo bílý, průhledný, skelně lesklý a má krychlovou odlučnost (Wikipedia 2011). Vybrané vlastnosti chloridu sodného jsou shrnuty v následujícím přehledu (Tab. 3.2) a dále jsou zde zobrazeny mikroskopické fotografie krystalu soli ve skleněné kapiláře a fotografie krystalu halitu (Obr. 3.4). - 28 -
Vlastnosti a struktura NaCl Molární hmotnost 58,443 g mol -1 Hustota 2,163 g cm -3 Tvrdost 2 (Mohsova stupnice) Rozpustnost ve vodě 35,86 g / 100 ml (20 C) Krystalová struktura Krychlová Hrana krystalové mřížky a = 562,7 pm Tab. 3.2: Vlastnosti chloridu sodného (Wikipedia 2011) Obr. 3.4: Fotografie krystalů NaCl (Rodriguez-Navarro, Doehne 1999) 3.15 Modifikace dřeva Dřevo jako surovina je k dispozici v mnoha rozmanitých druzích, jež se liší hustotou, barvou, pevností a trvanlivostí. Dřevo je součástí cyklicky se měnícího ekosystému a biodegradace je významným faktorem v tomto procesu. Jako přírodní kompozit je také velmi citlivý na vlhkost. Nestabilita při měnících se vlhkostních podmínkách je považována vedle biodegradace za druhou hlavní nevýhodu dřeva v porovnání s jinými materiály. Většina rychle rostoucích dřevin má tendenci rychleji degradovat při biologických a fyzikálních vlivech. Zejména bělové dřevo mnoha dřevin má nízkou trvanlivost. Nejvýznamnější biologický rozklad je způsoben houbami. Mnohé dřeviny mírných a boreálních lesů mají nedostatečnou odolnost pro zamyšlené použití. V tuto chvíli se problém řeší používáním biocidních prostředků (obsahují např.: kreozot, arsen, zinek, měď, chrom apod.) nebo tropických tvrdých dřevin. Obě dvě řešení jsou ovšem neustále pod politickým a spotřebitelským tlakem a dřevařský průmysl hledá - 29 -
alternativy. Využívání domácích dřevin s vylepšenými kvalitami může být konečným řešením tohoto problému. Cílem modifikace dřeva jsou změny v molekulární struktuře buněčné stěny (Obr. 3.5). Vlastnosti dřeva mohou být výrazně vylepšeny převodem hydrofilních OH-skupin na více hydrofobní skupiny. Rozměrová stabilita je dosažena tím, že buněčná stěna bude trvale nabobtnalá a nebude poutat žádnou nebo velmi málo vody. Obr. 3.5: Struktura buněčné stěny dřeva (Peydecastaing 2008) Modifikace dřeva může měnit důležité vlastnosti jako je biologická trvanlivost, rozměrová stabilita, tvrdost a UV-stabilita. Upravování vlhkosti dřeva je velmi účinný způsob, jak chránit dřevo. Zvýšení rozměrové stability znamená i menší tvorbu trhlin a také lepší odolnost nátěrových hmot na dřevě. V souhrnu lze širokou škálu možných úprav dřeva rozdělit do tří kategorií v závislosti na působení chemických látek uvnitř dřeva: 1. Lumen vyplněný látkou (obvykle se používá pryskyřice). Toto ošetření může zvýšit pevnostní vlastnosti a zpomalit proces příjmu vlhkosti, ale většinou nezmění sorpční křivku dřeva po delší časové období. 2. Blokace a vyplnění dutin buněčné stěny. Ošetření blokováním vede k omezení bobtnání a sesychání dřeva. Může mít i příznivý vliv na dlouhodobé sorpční chování. 3. Modifikační ošetření je obvykle nejefektivnější. Chemické složení buněčné stěny (lignin,celulóza a hemicelulózy) je pozměněno a kovalentní vazby jsou přetvořeny. Tyto modifikace se dají ještě rozdělit na tepelné, chemické a - 30 -
enzymatické ošetření. Mnoho vlastností lze zlepšit trvale, zejména trvanlivost, rozměrovou stabilitu a snížení rovnovážné vlhkosti dřeva. Pevnost a tuhost se ovšem díky modifikaci většinou sníží. Zvláště se to projevuje u tepelně ošetřeného dřeva při teplotách nad 200 C (Homan, Jorissen 2004). Další rozdělení způsobu modifikace na úrovni buněčné stěny je zobrazeno v následujícím schématu (Obr. 3.6). Obr. 3.6: Rozdílné způsoby ošetření dřeva (Homan et al. 2000) V následujících podkapitolách budou uvedeny různé způsoby modifikace dřeva. Existuje mnoho druhů modifikací a jejich kombinací, proto budou uvedeny jen některé a ty co mají souvislost s touto prací. Budou zde zmíněny i komerční produkty. 3.15.1 Povrchová modifikace Pokud pomineme klasické povrchové úpravy dřeva jako je například nanášení nátěrové hmoty, je v této oblasti poměrně nová technologie povrchové úpravy plasmou. Plasma se skládá z iontů, elektronů a případně neutrálních atomů či molekul. Je schopná modifikovat povrchy materiálů mnoha způsoby v závislosti na povaze plazmy a chemickém složení materiálu. Ošetření plazmou může zvýšit vodoodpudivost dřevěných povrchů nebo adhezní síly povrchu dřeva (Evans et al. 2007). - 31 -
3.15.2 Komprimační modifikace Lisování dřeva je proces, kdy dochází k interakci mezi lisovaným materiálem a vnějšími silami. Výsledkem jsou nejen tvarové změny, ale i změny fyzikálních a mechanických vlastností. Dřevo lze lisovat ve směru podél vláken, radiálním a tangenciálním. Aby bylo možné dřevo lisovat je nutné ho plastifikovat. Plastifikace může probíhat hydrotermicky (paření, vaření), chemicky (plynný a kapalný amoniak, močovina) a vysokofrekvenčním nebo mikrovlnným ohřevem (Dohnal 2010). Lignamon je obchodní název pro amoniakem částečně plastifikované vlhké dřevo, následně lisované a nakonec vysušené. Jde o český výrobek, který se používá na výrobu hudebních nástrojů, pažeb loveckých zbrání, podlah, teras, atd. 3.15.3 Tepelná modifikace Tepelnou úpravou dřeva rozumíme metodu, kdy jsou stavba buněčné stěny a fyzikální vlastnosti dřeva modifikovány vystavením teplotě nad 160 C. Tepelná úprava může probíhat za různých okolních podmínek (tlak, teplota) v odlišných mediích (dusík, pára, horký olej aj.). Existují čtyři hlavní metody tepelné modifikace, které jsou již i zkomercializovány a úspěšně zavedeny na trh pod svými registračními a ochrannými známkami a z vlastnictvím několika patentů: 1. Thermowood finské společnosti zaznamenaly v roce 2006 produkci 56000 m 3 tepelně upraveného dřeva. Velké mezinárodní dřevařské společnosti jako Finnforest a Stora Enso má ve své nabídce patentovaný Thermowood. V tomto procesu se dřevo zahřívá za přítomnosti vodní páry. Nízký obsah kyslíku (většinou pod 3,5 %) brání hoření dřeva při vysokých teplotách. Vysušené dřevo se zahřívá při teplotě 150 240 C po dobu až 4 hodin. Teplota závisí na třídě ošetření a dřevině. Pro třídu Thermo-S (borovice a smrk) je udávána teplota 190 ± 3 C, pro Thermo-S (bříza, topol) je to 185 ± 3 C, Thermo-D (borovice a smrk) - 212 ± 3 C a Thermo-D (bříza, topol) - 200 ± 3 C. Dřevo o třídě trvanlivosti 5 může být po ošetření zařazeno do třídy 1 3 v závislosti na procesu. Obecně je pevnost v ohybu snížena až o 30 % v závislosti na teplotě (čím vyšší teplota tím nižší ohybová pevnost). Snížení sesychání a bobtnání je uváděno až o 50 90 %. Možnosti použití jsou rozmanité, takto upravené dřevo se dá použít na stěnové a stropní panely, zahradní nábytek, sauny, obklady, venkovní parkety, dveře, okna apod. - 32 -
2. Plato jedná se o nizozemskou firmu, jež se zabývá tímto způsobem modifikace, který se skládá ze tří kroků. Nejdříve se dřevo zahřívá za mokra (pod tlakem páry a za nízkého obsahu kyslíku). V tomto kroku se předpokládá, že jsou uvolňovány aldehydy a fenoly z hemicelulóz a ligninu. Druhým krokem je sušení které je nutné, protože ve třetím kroku se provádí formování v suchých podmínkách. V průběhu vytvrzování aldehydy a fenoly navzájem reagují a tvoří nové polymery kolem stávajících struktur v buněčné stěně. V prvním kroku se teploty obvykle pohybují mezi 160 C a 190 C po dobu 4 5 hodin. Při vytvrzování se uvádí teplota mezi 170 až 190 C po dobu 14 16 hodiny. Sušení probíhá 3-5 dnů a závěrečné zušlechťování 2 až 3 dny. Výsledná třída trvanlivosti je závislá na přesných podmínkách, ale obvykle se pohybuje mezi 1 a 3 třídou. Snížení pevnosti v ohybu se pohybuje od 5 do 18 %. Snížení tangenciálního bobtnání a sesychání (ASE) je mezi 15 a 40 %. 3. Retification a Perdure francouzská společnost New Option Wood má licenci pro technologii Retification. V roce 2001 byly v provozu tři závody na výrobu tohoto materiálu. Vlastní proces se skládá z pozvolného zahřání předsušeného dřeva (přibližně na 12 %) až na teplotu 210-240 C v atmosféře dusíku s méně než 2 % obsahem kyslíku. Další francouzská metoda Perdure začíná proces s čerstvým dřevem. Prvním krokem je umělé sušení v sušárně a poté se dřevo zahřeje až na 230 C v páře, která je generována z vody obsažené v čerstvém dřevě. Při obou procesech ovlivňuje maximální teplota odolnost a mechanické vlastnosti. Čím vyšší teplota tím je dřevo odolnější, ovšem to znamená i snížení pevnosti. Pevnost v ohybu může být snížena až o 40 %. Rovnovážná vlhkost se obvykle pohybuje mezi 4 5 % namísto 10 12 % pro neošetřené dřevo. 4. Tepelné ošetření v horkém oleji tímto typem modifikace se zabývá německá firma Menz Holz. Jako médium může být použit řepkový, lněný nebo slunečnicový olej, který zajišťuje dobrý přenos tepla a odlučuje kyslík ze dřeva. Dosažená trvanlivost závisí na dřevině a teplotě. U smrku je potřeba teplota až 220 C pro dosažení třídy trvanlivosti 2 a pro borovici je dostačujících 200 C. Pevnost v ohybu je při teplotě 220 C snížena o 30 % a zlepšení rozměrové stability až o 40 % (upraveno autorem textu dle Homan et al. 2004 a Ala-Viikari 2007). - 33 -
3.15.4 Acetylace Hydroxylové skupiny hrají podstatnou roli v mnoha chemických modifikacích. Při reakci dřeva (OH- skupin) s karboxylovými kyselinami nebo anhydrity vznikají estery (Obr. 3.7). Tím jsou vlastně OH skupiny nahrazeny, což velmi pozitivně ovlivňuje vlastnosti dřeva. Mnoho studií a článků desítek autorů se zabývá acetylací masivního dřeva, dřevních vláken, třísek, dýh apod. pomocí anhydritu kyseliny octové. Ve Švédsku se zaměřují na využití mikrovlnné technologie pro rychlý ohřev během modifikačního procesu. Z hlediska chemické reakce je acetylace dřeva nekatalytickým anhydritem kyseliny octové relativně jednoduchá. Proces běžně sestává z impregnace, přičemž následuje ohřev až na teplotu (přibližně 70 C), kdy se spustí exotermická reakce. Nakonec jsou odstraněny zbytky kyseliny octové (Homan et al. 2004). Obr. 3.7: Princip procesu acetylace anhydritem kys. octové Na trhu je několik firem, které nabízí takto modifikované dřevo. Jedna z úspěšných značek má název Accoya (dříve Titan). Tato značka zaručuje modifikované dřevo bez obsahu toxických látek, třídu trvanlivosti 1 při více jak 20 % WPG (hmotnostní přírůstek), zlepšení rozměrové stability o 75 % a více. Navíc nejsou ošetřením ovlivněny pevnostní vlastnosti (s výjimkou mírné zvýšené tvrdosti) a materiál vykazuje dobrou UV stabilitu (Kattenbroek 2007). 3.15.5 Furfurylace Furfurylace dřeva (modifikace dřeva pomocí furfuryl alkoholu) je velmi účinná metoda k získání materiálu s velkou rozměrovou stabilitou, vysokou trvanlivostí a odolností vůči zásadám a kyselinám. Furfuryl alkohol (2-furylmethanol) vytvoří ve - 34 -
dřevě rozvětvené a propojené furanové polymery navázané na polymery buněčné stěny dřeva. Tvoří dokonce i kovalentní vazby s ligninem. Při modifikaci je nejprve dřevo proimpregnováno roztokem do plného nasycení. Poté se dřevo formuje při teplotách 80 až 140 C za přívodu páry po dobu 6 až 8 hodin. Nakonec je dřevo vysušeno. Výsledná pevnost takto ošetřeného dřeva je velmi snížena, v rozmezí od -25 % při 15 % WPG do -65 % při 125% WPG. Ukazatel ASE se pohybuje mezi 30 a 80 % (Homan et al. 2004). Společnost Kebony ASA (dříve Wood Polymer Technologies ASA) zahájila v roce 2003 komerční výrobu takto modifikovaného materiálu. Byly vyvinuty dvě produktové řady: 1. VisorWood jedná se o modifikované dřevo borovice lesní a používá se do venkovního prostředí (obklady, střešní desky a tam kde je vyžadována odolnost). 2. Kebony je homogenně ošetřené bělové dřevo různých borovic nebo buku a jasanu. Kebony je alternativou k tvrdým tropickým dřevinám a je vhodný pro výrobu podlah, vnitřních panelů a všude tam, kde je kladen důraz na exkluzivní vzhled, tvrdost a rozměrovou stabilitu (Brynildsen et al. 2007). 3.15.6 DMDHEU DMDHEU je zkratka pro dimethylol dihydroxy ethylene urea a používá se na celém světě v textilním průmyslu jako prostředek proti mačkání. Obvyklé hodnoty ukazatele ASE se pohybují v rozmezí 30 až 40 % při 40 % WPG. Pevnostní vlastnosti nejsou ošetřením příliš ovlivněny. Problém komerčního využití takto modifikovaného dřeva jsou emise formaldehydu (Homan et al. 2004). 3.15.7 Oleje a pryskyřice Výzkumy zaměřené na ošetření dřeva přírodními látkami jsou organizovány v rámci evropského projektu nazvaného Přírodní pryskyřice jako potenciální ochranný prostředek na dřevo. Projekt se zabýval celou řadou pryskyřic na přírodní bázi a jejich použití pro ochranu dřeva. Z hlediska olejů byla pozornost zaměřena hlavně na lněný a konopný olej s hydrofobním účinkem. Ukazatel ASE odhalil při použití oleje nízkou rozměrovou stabilitu. Použitím většiny pryskyřic poklesl u dřeva příjem vody v kapalném stavu, nicméně rovnovážná vlhkost při stálých pokojových podmínkách se téměř neliší od neošetřeného dřeva. - 35 -