Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nauky o dřevě Bakalářská práce Vliv impregnace dřeva na jeho mechanické vlastnosti Brno 2006 Zdeněk Šurýn
2
Čestné prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma vliv impregnace dřeva na jeho mechanické vlastnosti zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. V Brně dne:. Zdeněk Šurýn 3
Úvodem této práce bych rád poděkoval Ing. Jiřímu Holanovi Ph.D. za odborné vedení, pomoc a poskytování cenných rad při zpracování bakalářské práce. Chtěl bych poděkovat i mým rodičům za jejich podporu během mého studia na Mendelově zemědělské a lesnické univerzitě v Brně. 4
Abstrakt Název bakalářské práce: Vliv impregnace dřeva na jeho mechanické vlastnosti Jméno a příjmení: Zdeněk Šurýn Abstrakt Bakalářská práce se zabývá zjištěním a porovnáním mechanických vlastností dřeva ošetřeného impregnačním prostředkem a dřeva bez impregnace. Podstatou zkoušky je zjištění meze pevnosti a modulu pružnosti v tlaku podél vláken u zkušebních tělísek ošetřených impregnačním prostředkem Bochemit QB, Lignofix E-PROFI a tělísek bez impregnace. Pro tuto zkoušku byly použity zkušební tělíska ze smrkového dřeva o rozměrech 20 x 20 x 30 mm. Po provedení zkoušky se provede porovnání výsledků a zjistí se, jestli má impregnace dřeva vliv na jeho mechanické vlastnosti. Po provedení zkoušky bylo zjištěno, že mez pevnosti i modul pružnosti dřeva u obou impregnačních prostředků, jsou vyšší než u dřeva bez impregnace. Z toho plyne, že impregnace dřeva zlepšuje jeho mechanické vlastnosti. Klíčová slova: dřevo, impregnace, mechanické, vlastnosti, pevnost, pružnost, Bochemit QB, Lignofix E-PROFI 5
Abstract Title bachelor work: The Influence of the Wood's Impregnation on Its Mechanical Features Name: Zdeněk Šurýn Abstract This work deals with the findings and comparison of the wood's mechanical features which has been treated either with impregnation or without it. The main aim of the work was to reveal the strenght limit and the modulus of elasticity in compression of wood's, being treated the impregnants called Bochemit QB, Lignofix E-PROFI and the wood's without the impregnation. The test specimens used for the experiment, made of the spruce wood, were of the following proportions 20 x 20 x 30 mm. The comparison of all achieved findings from the experiment will find out, whether the impregnation of the wood has any influence on its mechanical features. The findings have approved the assumption that the strenght limit and the modulus of elasticity test specimen's of the impregnated wood are higher, than the wood without the impregnation. Therefore, the impregnation of the wood improves its mechanical features. Key words: wood, impregnation, mechanical, features, strenght, elasticity, Bochemit QB, Lignofix E-PROFI 6
Obsah: 1 Úvod...9 2 Cíl práce...10 3 Literární přehled...11 3.1 Chemická ochrana...11 3.2 Faktory ovlivňující impregnovatelnost dřeva...11 3.2.1 Vlastnosti dřeva...12 3.2.2 Druh použité látky...13 3.2.3 Podmínky provedení impregnace...14 3.3 Stavba dřeva a jeho impregnační schopnost...14 3.4 Způsoby aplikace ochranných prostředků do dřeva...15 3.4.1 Ochrana nátěrem...16 3.4.2 Ochrana postřikem...16 3.4.3 Ochrana ponořováním...16 3.4.4 Ochrana máčením...17 3.4.5 Difuzní impregnační způsob...17 3.4.6 Impregnace čerstvě těženého dřeva vytlačováním živin...18 3.4.7 Tlaková impregnace...18 3.5 Chemické ochranné prostředky na dřevo...19 3.5.1 Typové označení chemických ochranných prostředků...20 3.5.2 Označení podle tříd ohrožení...21 3.5.3 Chemické složení ochranných prostředků...22 3.5.3.1 Anorganické sloučeniny rozpustné ve vodě...22 3.5.3.2 Organické sloučeniny rozpustné ve vodě...22 3.5.3.3 Organické sloučeniny rozpustné v organických rozpouštědlech...22 3.5.3.4 Impregnační oleje nerozpustné ve vodě...22 3.5.3.5 Protiplísňové bakteriocidní prostředky...23 3.6 Mechanické vlastnosti dřeva...24 3.6.1 Pevnost dřeva...24 3.6.1.1 Pevnost dřeva v tlaku...24 3.6.1.1.1 Pevnost dřeva v tlaku podél vláken...25 3.6.2 Pružnost dřeva...26 7
3.6.2.1 Modul pružnosti...26 3.6.2.1.1 Modul pružnosti v tlaku...27 3.6.3 Faktory ovlivňující mechanické vlastnosti...28 3.6.3.1 Mikroskopická stavba dřeva...28 3.6.3.2 Podíl letního dřeva...28 3.6.3.3 Šířka letokruhů...29 3.6.3.4 Vlhkost dřeva...29 3.6.3.5 Hustota dřeva...30 3.6.3.6 Teplota dřeva...31 3.6.4 Vliv koncentrace impregnačních látek na mez pevnosti...31 4 Materiál a metodika...32 4.1 Impregnační prostředky...32 4.1.1 Bochemit QB...32 4.1.2 Lignofix E-PROFI...33 4.2 Zkušební vzorky...34 4.3 Použité přístroje a pomůcky:...35 4.4 Postup...35 4.5 Metody používané při výpočtu veličin...36 4.5.1 Stanovení hustoty...36 4.5.2 Množství impregnačního prostředku ve dřevě...37 4.5.3 Vlhkost dřeva...38 4.5.4 Pevnost dřeva...38 4.5.4.1 Mez pevnosti...38 4.5.4.2 Modul pružnosti...39 5 Výsledky...40 5.1 Vliv impregnace na hustotu dřeva...40 5.2 Množství impregnační látky v tělísku...41 5.3 Vliv impregnace na mez pevnosti v tlaku podél vláken...43 5.4 Vliv impregnace dřeva na modul pružnosti...45 6 Diskuse...46 7 Závěr...48 8 Summary...49 9 Použitá literatura...50 10 Přílohy...52 8
1 Úvod Dřevo, jako materiál, má řadu vynikajících vlastností, pro které se jeho užití odedávna velice rozšířilo. Vyrábí se z něj dřevěné stavby, části staveb, nábytek, papír, hudební nástroje, části povozů, lodě, letadla, sportovní potřeby, drobné předměty a jiné. Mezi nejlepší vlastnosti dřeva patří relativně nízká hmotnost, tepelná izolace, některé pevnosti, relativné dobrá reprodukovatelnost, estetické vlastnosti apod. Dřevo má ovšem i své záporné vlastnosti, jako je malá odolnost proti biologickým škůdcům, negativní změna mechanických vlastností při zvýšené vlhkosti a v neposlední ředě jeho hořlavost. Biologičtí činitelé dřevokazný hmyz, dřevokazné houby, plísně a mikroorganismy likvidují v přírodě dřevní hmotu s ekologickou šetrností, kterou může člověk přírodě jen závidět. Tato funkce degradačních činitelů je nezastupitelná a nenahraditelná v řetězcích přírodních cyklů. Pouze člověk chce do tohoto přírodního pochodu zasáhnout a prodloužit životnost velké části svých výrobků ze dřeva. Důvody tohoto snažení člověka nejsou pouze ekonomické (i když tyto předně), ale též například ekologické. Při delší životnosti užitého dřeva je možné šetření zdrojů této suroviny, která je sice obnovitelná, ale omezeně. Stejný cíl, jako ochrana dřeva proti biotickým škůdcům, má i ochrana dřeva proti abiotickým činitelům ohni a povětrnostním vlivům. Odolnost dřeva proti posledně jmenovaným činitelům je sama o sobě podstatně lepší, ale ve skutečnosti je málokdy působení degradačních činitelů sólové, působí spíše komplexně. Z tohoto důvodu se užité dřevo posuzuje z pohledu expozičního zatížení, které u daného výrobku působí [Svatoň, 2000]. 9
2 Cíl práce Cílem práce je zjištění mechanických vlastností dřeva ošetřeného impregnačními prostředky a srovnání se dřevem bez impregnace. Pro práci bude použito smrkové dřevo Picea abies (L.) Karst. Pro impregnaci jsou zvoleny dva různé impregnační prostředky, které jsou běžně dostupné na našem trhu a každý je od jiného výrobce. Zjišťovanými veličinami jsou mez pevnosti a modul pružnosti dřeva v tlaku podél vláken. 10
3 Literární přehled 3.1 Chemická ochrana Chemická ochrana dřeva se používá na zvýšení přirozené trvanlivosti dřeva proti biotickým a abiotickým dřevokazným činitelům. Využívá k tomu vhodné typy chemických látek ochranných prostředků s fungicidními, insekticidními, ohnivzdornými a protiplísňovými vlastnostmi. Funkční životnost neošetřených dřevěných konstrukcí v interiéru se odhaduje na 100 až 150 let. V příznivých podmínkách se prodlužuje na 200 let i více. Při zvýšení vlhkosti dřeva, a tím i zvýšení možného výskytu biotických škůdců dřeva, může životnost dřevěných konstrukcí klesnout na pouhých 2 až 5 let. Životnost dřevěných konstrukcí lze podstatně prodloužit vhodným konstrukčním uspořádáním, které zajistí snížení vlhkosti, a chemickou ochrannou. Životnost neošetřených nebo nedostatečně konstrukčně řešených dřevěných konstrukcí v exteriéru, se odhaduje na 3 až 5 let. Vhodným konstrukčním řešením a chemickou ochranou se prodlouží na 20 i více let. [Baier,Týn, 2001] 3.2 Faktory ovlivňující impregnovatelnost dřeva. Impregnace dřeva je chemicko-fyzikální proces, při kterém se ochranná látka vnáší do kapilárního systému dřeva, aby se stalo odolné vůči účinkům biologických škůdců, abiotických činitelů nebo aby změnilo některé své vlastnosti. Ochranný účinek závisí na: 1) vlastnostech dřeva, 2) druhu použité látky 3) podmínkách provedení impregnace 11
3.2.1 Vlastnosti dřeva Vlastnosti dřeva ovlivňují množství příjmu a rozložení ochranné látky ve dřevě. Těžko impregnovatelné dřeviny jsou smrk, jedle, jádra dubu, buku, borovice apod. Vnikání ochranné látky do dřeva brání mechanické překážky: uzavřené dvojtečky, pryskyřice, thyly apod. Mechanismus impregnace je jiný pro jehličnany a jiný pro listnaté dřeviny. Důležitou úlohu při impregnaci hrají tečky a dvojtečky. Ochranná látka může volně pronikat dřevem jen tehdy, jsou-li dvojtečky otevřené a to je u čerstvě pokáceného dřeva. Při vlhkostech pod bod nasycení buněčných stěn jsou dvojtečky jarního dřeva zavřeny a u letního dřeva zůstávají některé dále otevřené. Z toho plyne, že letní dřevo u jehličnanů se dá mnohem lépe proimpregnovat než dřevo jarní. Dvojtečky mohou zajistit propustnost i v tangenciálním směru a v některých případech větší než v radiálním. Dvojtečky se nachází i u listnatých dřevin. Rozdíl oproti jehličnanům je v torusu, který je u listnáčů z méně propustných membrán. U borovice existuje neustálé propojení mezi každou tracheidou a aspoň jedním dřeňovým paprskem. Na rozdíl od toho u smrku jsou parenchymatické buňky paprsků navzájem propojeny tečkami, ale ostatní plocha stěn je mimořádně silně ucpaná. To vysvětluje, proč se smrk jen velmi těžko impregnuje v radiálním a tangenciálním směru. Potřebné hodnoty příjmu ochranné látky dosáhneme pomocí tlaku, který roztrhá membránu nebo naruší celou buněčnou stěnu [Svatoň, 2000]. Podíl dřeňových paprsků ve dřevě závisí na dřevině, poloze dřeva v kmenu (víc je jich v dolní části a k obvodu kulatiny) a podmínkách růstu. U jehličnatých dřevin připadá na dřeňové paprsky v průměru 5-10% z objemu dřeva a u listnatých dřevin až 29%. To vysvětluje lehčí proimpregnovatelnost listnáčů [Gandelová a kol., 2004]. Jádra dřevin patří mezi těžko impregnovatelné, což je způsobeno ucpáváním vodivých cest pryskyřicí, uhličitanem vápenatým, tříslovinami a barvivy při jeho tvorbě [Svatoň, 2000]. V jádru listnáčů, nebo v zapařené běli dochází k zathylování. Thyly jsou výrůstky vakovitého tvaru, vyrůstající z parenchymatických buněk, vnikající a ucpávající cévy jako vodící elementy. Takovým dřevem ochranná látka neproniká ani při vyšších tlacích a delších časech impregnace [Požgaj, 1993]. 12
Hustota dřeva ovlivňuje množství příjmu impregnační látky: hustější dřeviny přijímají méně ochranné látky než dřeviny řídké. Vlhkost dřeva rovněž ovlivňuje množství příjmu impregnační látky. Tento vliv je závislý na použitém impregnačním způsobu a ochranné látce. Tlakové síly se při pohybu ochranné látky uplatňují více ve dřevě obsahujícím pouze vodu vázanou. Difuzní síly se uplatňují nejvíce ve dřevě maximálně nasyceném vodou. Množství příjmu impregnační látky je závislé i na velikosti a tvaru impregnovaného sortimentu a podílu axiálních, radiálních a tangenciálních ploch dřeva. Zvyšující se podíl axiálních ploch impregnovaného sortimentu má kladný vliv na příjem impregnační látky [Svatoň, 2000]. 3.2.2 Druh použité látky Fyzikálně-chemické vlastnosti impregnačních látek ovlivňují kvalitu impregnace zejména viskozitou, mezipovrchovým napětím, disperzním stavem látky apod. Ve většině případů se na ochranu dřeva používají vícesložkové kapalné přípravky, které představují směs více chemických látek: 1) Homogenní roztoky např. voda + anorganický retardér hoření etanol + organický insekticid 2) Disperzní dvoufázové systémy a) emulze (dvě vzájemně smíšené kapaliny) b) suspenze (kapalina s nerozpustnou tuhou látkou) Při transportu kapalných látek do dřeva je významná především jejich dynamická viskozita. Dynamická viskozita vyjadřuje vnitřní tření částic v kapalině, které se navenek projevuje odporem částic proti pohybu i odporem kapaliny jako celku proti hybným silám toku. Povrchové napětí kapalných přípravků ovlivňuje jejich schopnost smáčet povrchy buněk v lumenech a tím též ovlivňuje intenzitu průniku těchto přípravků do dřeva. Povrchové napětí a smáčení se upravuje přídavkem povrchově aktivních látek. Smáčení se definuje kontaktním úhlem smáčení. Většina ochranných látek na dřevo jsou látky dobře smáčivé a samovolně sorbují do pórovité struktury dřeva vlivem kapilárních tlaků [Svatoň, 2000]. 13
3.2.3 Podmínky provedení impregnace Podmínky provedení impregnace mají vliv na množství přijaté impregnační látky a jsou to: tlak, podtlak, jejich střídání, doba trvání impregnace, použití teploty, úpravy dřeva atd. Ve většině případů zvýšením parametrů podmínek impregnace se zvětšuje příjem ochranné látky a zvětšuje její průnik do dřeva. Hranice tohoto zvyšování parametrů je možno spatřovat ve vlastnostech dřeva, vlastnostech impregnační látky a v ekonomice [Svatoň, 2000]. 3.3 Stavba dřeva a jeho impregnační schopnost Dřevo je tvořeno buňkami jejichž tvar, rozměry a funkce jsou různé. Na dřevě pozorujeme část vnitřní jádro, vyzrálé dřevo a část vnější běl. Obě tyto části se skládají z letokruhů. Jádra obsahují jaderné látky (pryskyřice, gumy, alkaloidy, minerální látky, uhlohydráty, třísloviny, barviva atd.) a u listnáčů bývají často ucpány thylami. Thyly jsou velkou překážkou pro pronikání ochranných látek do dřeva. Jádrové látky do jisté míry chrání dřevo a bělová část, která se po skácení vysušuje, podléhá zkáze dříve. Proto je nutné při impregnaci proimpregnovat, pokud možno, celou bělovou část. U některých bělových dřevin se někdy tvoří nepravé jádro. Nepravé jádro se vytváří po poškození stromu vlivem abiotických faktorů (mráz, vzduch) a biotických činitelů (houby). Příčinou vzniku nepravého jádra jsou biochemické změny (oxidace tříslovin), ke kterým dochází v procesu stárnutí dřeva [Šlezingerová, Gandelová, 2002]. Jádro, nepravé jádro, zapaření buku a ostatní změny dřeva zamezují prostupu impregnačních látek a jejich ochrana impregnací je problematická. Přirozené cesty vody a živin ve dřevě živého stromů slouží u vytěženého dřeva k odvodu vlhkosti dřeva při sušení a ke vnikání ochranné látky při impregnaci. Hlavní kapilární cesty pro ochranné látky jsou orientovány podél osy kmene (bývalé cesty proudění živin do koruny). V příčném směru to jsou buňky dřeňových paprsků. Dalšími důležitými místy průniku ochranné látky v příčném směru jsou ztenčeniny. Tyto jsou dvojího druhu: tečky a dvojtečky. Dvojtečky se svým torusem 14
jsou při impregnaci určitou překážkou. Při poklesu vlhkosti pod mez hygroskopicity dochází ve dřevě k uzavírání dvojteček a tím i k ucpání vodivých cest. Voda a ochranné prostředky nejlépe vnikají do dřeva ve směru vláken z čelní plochy. Pohyb ochranných látek je v tomto směru asi 10-20krát rychlejší než v příčném směru. U smrku a jedle je impregnace obzvlášť obtížná z důvodu nepropustných dřeňových paprsků a uzavřených dvojteček tracheid, což zabraňuje průniku ochranných látek do větší hloubky [Svatoň, 2000]. 3.4 Způsoby aplikace ochranných prostředků do dřeva Podle hloubky průniku impregnační látky do povrchu dřeva rozlišujeme impregnaci: povrchovou do 2 mm, mělkou 2 10 mm, hlubokou nad 10 mm. [Svatoň, 2000] Před prováděním chemické ochrany se musí dřevo zbavit pilin, prachu, mastných skvrn a případně i starých nánosů dřívějších přípravků. Chemická ochrana se provádí nejlépe při teplotách kolem 20 C. Pří nižších teplotách se snižuje penetrace ochranného prostředku do dřeva. Nedoporučuje se proto ošetření dřeva při teplotě pod 10 C [Baier,Týn 2001]. Ochranné prostředky lze aplikovat do dřeva: beztlakově (technologiemi využívajícími při aplikacích atmosférický tlak), tlakově (vakuová impregnace, vakuově tlaková impregnace), pomocí speciálních druhů impregnace (injektáž, bandážování, impregnace pomocí difúze) [Vitvar, 2000]. 15
3.4.1 Ochrana nátěrem Na očištěné dřevo se štětcem nebo válečkem nanáší ochranný prostředek doporučené koncentrace. Většinou se provádí 2 až 3 nátěry. Následující nátěr se provádí po vsáknutí předchozího [Baier,Týn 2001]. Velký vliv na příjem ochranné látky má drsnost povrchu dřeva. Neohoblované dřevo má přibližně dvakrát větší příjem ochranné látky na jednotku plochy než dřevo hoblované. Příjem ovlivňuje i poloha povrchu dřeva. Ve svislé poloze je příjem o 1/3 nižší než ve vodorovné poloze. Vícenásobnými nátěry se dosahuje kvalitnější ochrany dřeva. U druhých nátěrů bývá příjem o 25 60% nižší než u nátěrů prvních. Při nátěru je nutné počítat s max. 10% ztráty [Svatoň, 2000]. 3.4.2 Ochrana postřikem Zajišťuje lepší pronikáni ochranné látky do povrchu dřeva než při ochraně nátěrem. Postřik je prováděn pod tlakem stříkací pistolí nebo stříkací růžicí v lince. Provádí se zejména při dodatečné ochraně zabudovaného dřeva nebo špatně přístupných povrchů dřeva a prasklin. Nevýhodou stříkání u dodatečné ochrany jsou velké ztráty přípravku a též nutnost použití ochranných prostředků při práci [Svatoň, 2000]. 3.4.3 Ochrana ponořováním U ponořování dochází k průniku použité látky i do mezer, spojů a konstrukčně nepřístupných míst. Je zde možnost dobrého nánosu i na celé sestavy a podsestavy dílců. Ponořování je prakticky koupel ochraňovaného dřeva v impregnační látce časově omezená a to max. do 5 minut. Použití ponořování je nejčastěji u stavebního řeziva a stavebně truhlářských výrobků [Svatoň, 2000]. 16
3.4.4 Ochrana máčením Máčení je jednoduchý způsob impregnace nevyžadující velké investice a je vhodný pro menší množství dřeva. Z hlediska času máčení rozlišujeme máčení krátkodobé 0,5 24 h a dlouhodobé, kde doba máčení trvá víc než jeden den. Zahříváním roztoku dosáhneme urychlení pronikání ochranné látky do dřeva a je zde možnost provádění máčení i v zimních měsících. Před máčením musí být dřevo vysušeno pod bod nasycení vláken (pod 30% W). Teplota okolí nesmí být pod 0 C. Potopení dřeva musí být zajištěné tak, aby se horní vrstvy nevynořovaly. Nejznámější způsob máčení se nazývá kyanizace. Je používaná na telekomunikační sloupy. Jde o máčení v sublimátu chlorid rtuťnatý HgCl 2. Máčení probíhá 8-12 dní. Hluboká kyanizace: Dřevo se nejdříve paří při teplotě 90 C minimálně 6 hodin u řeziva a 10 hodin u kulatiny. Kondenzát se vypustí napustí se sublimát. Doba impregnace je kratší a dosáhne se lepší impregnační hloubky. Dykianizace: Dřevo se nejdříve paří, bobtná a poté se suší přehřátou párou o teplotě až 150 C. Prudkým sušením vznikají povrchové trhlinky. Ještě za horka se dřevo ponořuje do sublimátu, který proniká trhlinami a rovnoměrně se rozkládá dřevní hmotou. Horko - studené koupele: Střídáním teplot jednotlivých lázní se zvyšuje rychlost a hloubka vniku ochranné látky do dřeva. Dřevo musí mít vlhkost pod bodem nasycení vláken [Svatoň, 2000]. 3.4.5 Difuzní impregnační způsob Při tomto způsobu postupuje látka do dřeva ve směru radiálním. Dřevo musí být odkorněno a musí mít co největší vlhkost. Vyrovnáváním koncentrací (difuzí) se snaží molekuly solí z ochranné látky obklopující dřevo proniknout do dřeva, kde je nižší koncentrace a voda se z kmene snaží proudit do ochranné látky. Ochranné látky mohou být tekuté, pastovité nebo i práškovité. Nejčastěji se používá fluorid sodný s příměsí solí. Dřevo se natře na celém povrchu pastou, uloží se do husté hromady a ta se nepropustně obalí (igelit, lepenka), aby se vytvořily podmínky pro vznik mikroklimatu. 17
Nevýhody tohoto postupu jsou: dlouhá doba impregnace (1 4 měsíce), těžká manipulace, nízká produktivita práce a znečištění povrchu dřeva. Výhodou jsou velmi nízké náklady, žádné investice a dostatečná hloubka impregnace [Svatoň, 2000]. 3.4.6 Impregnace čerstvě těženého dřeva vytlačováním živin Při této metodě je využito neuzavřených dvojteček v čerstvě vytěženém dřevě (do 14 dnů po těžbě). Ochranná látka se tlačí do dřeva, na jednom konci kmenu, pod hydrostatickým přetlakem 100 150 kpa. Ochrannou látkou je nejčastěji 1 1,5% roztok síranu mědnatého skalice modré nebo 5% roztok chloridu zinečnatého. Na druhém konci kmenu nejdříve vytékají živiny, jako nažloutlá kapalina, později začne vytékat modrozelená kapalina a impregnace se ukončí, až vytéká roztok o stejné koncentraci jako na vstupu. Doba impregnace trvá v průměru 8 14 dnů a je závislá na druhu dřeviny, délce výřezů a ploše průřezu. Za 5 8 dnů se přířezy odkorní a nechají se přirozeně vysoušet po dobu 4 týdnů. Tento způsob je pro dnešní průmyslovou výrobu nedostatečný a proto se už nepoužívá [Svatoň, 2000]. 3.4.7 Tlaková impregnace Tyto impregnace poskytují nejúčinnější ochranu, v rámci chemického ošetření dřeva. Tlakem se impregnuje ve speciálních impregnačních zařízeních, jejichž jádrem je tlakový kotel. Tento způsob vyžaduje samostatné strojní zařízení, budovy a skladovací prostory z čehož vyplívá, že se k těmto technologiím váží značné investiční náklady. Základním rozlišením mezi jednotlivými metodami je různé používání a střídání fází tlaku, vakua, práce se vzduchem, s ochrannou látkou, časové intervaly jednotlivých fází a teplotní hladiny [Svatoň, 2000]. 18
Způsoby tlakové impregnace: Impregnace tlakem a vakuem: metodou plného nasycení buněk (Burnnettování, Bethel); metodou prázdných buněk (Rüpingův způsob); metodou částečného nasycení buněk. Tlaková impregnace vodnými roztoky solí. Vakuová impregnace. Technologie s přetlakem a vakuem. Podvojná impregnace. Pulzační impregnace dřeva. [Svatoň, 2000] 3.5 Chemické ochranné prostředky na dřevo Na chemickou ochranu proti biotickým škůdcům se používají anorganické nebo organické sloučeniny, které jsou silně toxické pro biotické škůdce, ale téměř neškodné pro člověka. Přípravky musí být ekologicky přijatelné, nesmí zbarvovat dřevo a zdivo, korodovat kovy apod. Současně musí být dlouhodobě biocidně účinné. Dlouhodobou účinností se vyznačují anorganické sloučeniny. Organické sloučeniny jsou degradovatelné světlem, zejména UV zářením, oxidací vzdušným kyslíkem, bakteriemi a dalšími vlivy. Proto se jejich účinek odhaduje na 5 až 10 let. Za ochranné prostředky na dřevo je nutné považovat i nátěrové hmoty, které znesnadňují pronikání biotických škůdců. Zvýšené nároky jsou kladeny na nátěrové hmoty používané zejména v exteriéru. Dřevěné konstrukce jsou ohroženy nejen biotickými a abiotickými vlivy, ale i požárem. Snížení rizika požáru dosáhneme použitím pyroretardačních nátěrů nebo fólií [Baier,Týn 2001]. 19
3.5.1 Typové označení chemických ochranných prostředků Symboly používané v typovém označení jsou stanoveny ČSN 49 0600-1. Velká písmena eventuálně s indexy vyjadřují ochranné vlastnosti prostředku. Číslicemi je vyjádřena použitelnost v třídách ohrožení podle EN 335-1 a EN 335-2 a následující velká písmena určují aplikaci přípravku. U starších ochranných prostředků bylo typové označení dle ČSN 49 0600. Za skupinou velkých písmen vyjadřujících ochranné vlastnosti následovaly číslice 1 5 vyjadřující zdravotní nezávadnost a malé písmeno vyjadřující vyluhovatelnost (v), nebo nevyluhovatelnost (n) [Baier,Týn 2001]. Podle normy ČSN 49 0600-1 se ochranné prostředky značí: Tab. 1: Charakteristika typového označení impregnačních prostředků [Baier,Týn 2001] F A F B B I P P E D účinnost proti dřevokazným houbám třídy Ascomycetes, které způsobují tzv. měkkou hnilobu dřeva účinnost proti dřevokazným houbám třídy Basidiomycetes, které způsobují hnědou hnilobu nebo bílou hnilobu účinnost proti dřevozbarvujícím houbám, které způsobují barevné změny dřeva, mechanické vlastnosti prakticky nesnižují preventivní účinnost proti dřevokaznému hmyzu účinnost proti plísním účinnost proti biotickým škůdcům v extrémních podmínkách (dřevo ve styku se zemí nebo sladkou vodou) účinnost proti povětrnostním vlivům 1,2,3,4,5 třída ohrožení dřeva S P SP ochrana dřeva povrchovým způsobem ochrana dřeva hlubokým způsobem (tlaková impregnace) použitelnost obou způsobů ochrany 20
3.5.2 Označení podle tříd ohrožení Chemické ochranné prostředky a jejich použitelnost podle třídy ohrožení dřevěných konstrukcí podle EN 335-1 a 335-2. Třída ohrožení 1 dřevo v interiéru bez styku se zemí. Vlhkost dřeva nepřekračuje 20%. Narušení dřeva může být způsobeno jen dřevokazným hmyzem. Třída ohrožení 2 dřevo v interiéru bez styku se zemí, ale s vyšší vlhkostí okolního prostředí. Vlhkost dřeva může jen krátkodobě přesáhnout 20%. Dřevo je mírně ohroženo dřevokaznými houbami třídy Basidiomycetes, dřevozbarvujícími houbami, plísněmi a dřevokazným hmyzem. Chemickou ochranu provádíme je v rizikových částech objektu. Je možné použít i přípravky vyluhovatelné vodou. Třída ohrožení 3 dřevo v exteriéru, chráněné nedostatečně nebo vůbec před působením povětrnostních vlivů a je bez styku se zemí. Vlhkost dřeva často nebo dlouhodobě přesahuje 20%. Dřevo je ohroženo dřevozbarvujícími houbami, dřevokaznými houbami třídy Basidiomycetes, dřevokazným hmyzem a plísněmi. Vyluhovatelné prostředky lze použít jen omezeně. Třída ohrožení 4 dřevo je v přímém a trvalém styku se zemí nebo sladkou vodou. Vlhkost dřeva je trvale vyšší než 20%. V tomto případě je dřevo ohroženo dřevokaznými houbami (včetně hub způsobující měkkou hnilobu Ascomycetes), plísněmi i dřevokazným hmyzem. Zde je nutné použít přípravky nevyluhovatelné vodou. Poškození dřeva je nejsilnější na rozhraní země vzduch nebo voda vzduch. Třída ohrožení 5 dřevo je v trvalém a přímém styku s mořskou vodou. Toto riziko se v našich podmínkách nevyskytuje [dle normy EN 335-1 a 335-2]. 21
3.5.3 Chemické složení ochranných prostředků 3.5.3.1 Anorganické sloučeniny rozpustné ve vodě a) Vyluhovatelné vodou jsou určené jen pro třídu ohrožení 1 a 2. Biocidní účinnost je zaručena boritými solemi (kyselina boritá, tetraboritan sodný, polyboritany). Aplikují se nátěrem, máčením i tlakovou impregnací. b) Nevyluhovatelné vodou - jsou použitelné i třídách ohrožení 3 a 4. Účinnými složkami přípravku jsou soli boru, mědi, chrómu a fluoru. Fixaci přípravku ve dřevě způsobují soli chrómu. Tyto ochranné přípravky jsou určeny jen pro průmyslovou vakuotlakovou impregnaci nebo dlouhodobé máčení. 3.5.3.2 Organické sloučeniny rozpustné ve vodě Nejrozšířenější jsou kvartetní amoniové soli, které se fixují na dřevo již za 2-4 hodiny. Používají se ve třídách ohrožení 1, 2, 3. Jsou určeny pro povrchovou ochranu nátěrem, máčením, postřikem i vakuotlakovou impregnací. 3.5.3.3 Organické sloučeniny rozpustné v organických rozpouštědlech Biocidní účinnost ochranných prostředků zajišťují například měďnaté a zinečnaté soli naftalenových kyselin, deriváty benzthiazolu, deriváty 1, 2, 4- triazolu, zejména tebuconazol a propiconazol. 3.5.3.4 Impregnační oleje nerozpustné ve vodě Získávají se destilací černouhelného dehtu. Jsou určeny jen do exteriéru pro třídy ohrožení 3, 4, 5. Dřevo, zejména pražce a sloupy, se impregnují vakuotlakovými způsoby. 22
3.5.3.5 Protiplísňové bakteriocidní prostředky Používají se většinou jen organické sloučeniny, které jsou téměř zdravotně nezávadné. Chemické složení těchto přípravků je velmi rozmanité. Používají se i některé fungicidní látky, například kvartetní soli [Baier,Týn, 2001]. 23
3.6 Mechanické vlastnosti dřeva Dřevo má svoje nenahraditelné vlastnosti, které ho zařazují mezi materiály se širokým uplatněním v praxi. Mezi tyty vlastnosti patří i mechanické vlastnosti zejména pružnost a pevnost. Dřevo má při své relativně nízké hmotnosti vysokou pevnost, což je předpokladem každého dobrého konstrukčního materiálu. Jako většina fyzikálních vlastností dřeva mají i mechanické vlastnosti anizotropní charakter.anizotropní charakter je dán uspořádáním a orientací molekul stavebních látek ve dřevě [Požgaj, 1993]. 3.6.1 Pevnost dřeva Pevnost dřeva charakterizuje odpor nebo odolnost dřeva proti jeho trvalému porušení. Pevnost se vyjadřuje napětím, při kterém se poruší jeho soudržnost. Podle způsobu zatížení rozdělujeme pevnost: v tahu v tlaku v ohybu v krutu ve smyku [Požgaj, 1993]. 3.6.1.1 Pevnost dřeva v tlaku S ohledem na anizotropní charakter dřeva rozdělujeme pevnost v tlaku na: a) pevnost dřeva v tlaku podél vláken b) pevnost dřeva v tlaku napříč vláken: - ve směru radiálním - ve směru tangenciálním 24
Mez pevnosti v tlaku ve směru vláken se vypočítá podle vztahu: s p = F max / a. b [MPa] kde: F max je síla na mezi pevnosti [N] a,b příčné rozměry tělesa [mm] [Požgaj, 1993]. 3.6.1.1.1 Pevnost dřeva v tlaku podél vláken Tlaková pevnost dřeva ve směru vláken je z praktického hlediska velmi důležitou vlastností dřeva. Působením tlaku na těleso podél vláken dojde k deformaci, projevující se zkrácením délky tělesa. Charakter deformace závisí na jakosti a stavbě dřeva. Důležitými činiteli jsou hustota a vlhkost dřeva. U suchého dřeva s vysokou hustotou a tedy i s vysokou pevností vzniká zatížením porušení dřeva ve formě smyku jedné části tělesa vzhledem k druhé po linii, která na tangenciální ploše probíhá pod úhlem 60 vzhledem k podélné ose tělesa. U dřeva vlhkého s nízkou hustotou a malou pevností dochází k otlačení vláken na čelních plochách a k vybočení stěn zatěžovaných těles. V zóně porušení dochází ke změnám mikroskopické stavby jednotlivých elementů [Gandelová a kol., 2004]. Pevnost v tlaku podél vláken se u našich dřevin pohybuje v rozmezí od 30 do 70 Mpa. Nejvyšší průměrnou pevnost v tlaku ve směru vláken má dřevo akátu, habru a dubu a nejnižší pevnost má dřevo topolu a olše [Požgaj, 1993]. Tab. 3: Hodnoty meze pevnosti v tlaku ve směru vláken pro různé dřeviny při vlhkosti dřev w = 12% [Požgaj, 1993] druh dřeviny mez pevnosti (MPa) smrk 34,1 akát 76,3 dub 59,8 buk 56,7 topol 31 25
Obr. 1: Pracovní diagram pevnosti v tlaku podél vláken [Požgaj, 1993] 3.6.2 Pružnost dřeva Pružnost dřeva je definována jako schopnost dosáhnout původního tvaru po uvolnění vnějších sil. Z fyzikálního hlediska je to takový stav, když jsou změny mezi vzdálenostmi atomů návratné. Atomy se po odstranění vnějších sil vrátí do své rovnovážné vzdálenosti tak, aby dosáhli nejnižší potenciální energii [Požgaj, 1993]. 3.6.2.1 Modul pružnosti Modul pružnosti je vyjádřením vnitřního odporu materiálu proti pružné deformaci. Čím je modul pružnosti větší, tím větší napětí je potřebné k dosažení deformace [Požgaj, 1993]. 26
3.6.2.1.1 Modul pružnosti v tlaku Modul pružnosti v tahu a tlaku je charakterizován podílem napětí a poměrné deformace. Modul pružnosti v tahu a tlaku lze vypočítat ze vztahu: E =F ú. l / S.ru 1 [MPa]. kde: F ú je síla na mezi úměrnosti (N), l původní délka tělesa před silovým působením S plocha na kterou síla F působí (m 2 ), ru 1 absolutní celková pružná deformace ve směru silového působení (m) Průměrná hodnota modulu pružnosti pro dřevo v tahu a tlaku ve směru vláken se pro naše domácí dřeviny udává v rozpětí 10000 15000 Mpa při průměrné absolutní vlhkosti 12%. Napříč vláken je tato hodnota až 25x menší. Vzájemný poměr mezi směrem podélným, radiálním a tangenciálním je 20 : 2 : 1 [Požgaj, 1993]. Tab. 2: Hodnoty modulů pružnosti v tlaku podél vláken [Požgaj, 1993] Druh dřeva Modul pružnosti při 12% vlhkosti (MPa) smrk 13650 buk 16837 dub 11778 27
3.6.3 Faktory ovlivňující mechanické vlastnosti 3.6.3.1 Mikroskopická stavba dřeva Pevnost dřeva ovlivňují rozměry jednotlivých anatomických elementů zejména elementů s mechanickou funkcí. Čím je takových elementů víc a čím jsou silnější jejich buněčně stěny, tím vyšší je pevnost dřeva. Rozdíly v mechanických vlastnostech dřeva různých dřevin jsou dány rozdílnou strukturou každé dřeviny. Větší pravidelnost stavby jehličnanů, je důvodem jejich větší pevnosti a pružnosti v porovnání s listnatými dřevinami se stejnou hustotou [Požgaj, 1993]. a) b) Obr. 2: Mikroskopická stavba dřeva jehličnanů a listnáčů a) borovice lesní, b) jasan [Požgaj, 1993] 3.6.3.2 Podíl letního dřeva Zvýšený podíl letního dřeva zlepšuje jeho mechanické vlastnosti. Jarní část letokruhu má převážně vodivou funkci, takže jarní elementy jsou po mechanické stránce slabší. Hustota jarního dřeva smrku je cca 200 kg.m -3 a letního dřeva 600 kg.m -3. Zvyšováním podílu letního dřeva se zvýší hustota dřeva a tím se zvýší jeho pružnost a pevnost [Požgaj, 1993]. 28
3.6.3.3 Šířka letokruhů U jehličnatých dřevin platí, že se zvyšující se šířkou letokruhů se hodnoty fyzikálních a mechanických vlastností snižují. U listnatých dřevin s kruhovitě pórovitou stavbou se naopak tyto hodnoty zvyšují. Tyto závislosti jsou v úzké souvislosti s rozdílnou strukturou letokruhu v uvedených skupin dřev. U dřevin s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva není závislost fyzikálních a mechanických vlastností na šířce letokruhů tak výrazná a jednoznačná [Gandelová a kol., 2004]. 3.6.3.4 Vlhkost dřeva Se stoupající vlhkostí do meze hygroskopicity se pružnostní a pevnostní vlastnosti dřeva snižují. Změna pevnosti dřeva má v závislosti na změně obsahu vázané vody nelineární průběh. Při změně vlhkosti o 1% v rozsahu vody vázané se pevnost dřeva změní průměrně o 3-4 % (výjimkou je pevnost v tahu). Přepočet na 12% vlhkost se provádí podle vztahu: s 12 = s w [1+ a. (w-12)] [MPa]. kde: w- je vlhkost dřeva v době zkoušení, s w - pevnost dřeva při zkoušení a- opravný koeficient pro daný způsob zatížení [Gandelová a kol., 2004] Tab. 4: Opravné koeficienty vyjadřující vliv vlhkosti na danou vlastnost [Gandelová a kol., 2004] Způsob zatížení Opravný koeficient - a Tlak ve směru vláken 0,04 Tlak napříč vláken 0,035 Tah ve směru vláken 0,01 Tah napříč vláken (R) 0,01 Tah napříč vláken (T) 0,025 Statický ohyb 0,04 Smyk ve směru vláken 0,03 29
Při zatížení v tlaku ve směru vláken jsou ve vztahu mezi napětím a deformací významné rozdíly při vlhkosti w = 0% a na mezi hygroskopicity. Při vlhkosti na mezi hygroskopicity je mez pevnosti 3,5- krát a celková deformace téměř 7- krát menší. Z toho vyplývá, že při tlaku jsou namáhány i ty vazby, které jsou zeslabeny navázáním molekul vody. Vliv vlhkosti na mechanické vlastnosti tedy závisí na zapojených vazebných energiích při konkrétním způsobu zatížení [Gandelová a kol., 2004]. Obr. 3: Vliv vlhkosti na mechanické vlastnosti v tlaku podél vláken [Požgaj, 1993]. 3.6.3.5 Hustota dřeva Závislost mezi hustotou a mechanickými vlastnostmi dřeva je složitější, protože pevnost dřeva nezávisí pouze na množství dřevní substance v objemové jednotce, ale také na anatomické stavbě dřeva. Mezi moduly pružnosti a hustotou dřeva existuje kladná lineární závislost. Zvýšení hustoty dřeva o 0,1 g.cm -3 způsobí zvětšení modulu pružnosti ve směru vláken o 2-5%, napříč vláken o 1-9%. Vliv hustoty se nejvíce projevuje u suchého dřeva, při vlhkosti nad mezí hygroskopicity je nevýrazný. Pevnost dřeva se s rostoucí hustotou obecně zvyšuje. Vztah mezi hustotou a pevností dřeva ale nemusí být vždy významný. Jasněji vztah mezi strukturou hustotou a mechanickými vlastnostmi dřeva můžeme zjistit analyzováním makroskopické stavby letokruhů, t.j. šířky letokruhu a podílu letního dřeva [Gandelová a kol., 2004]. 30
3.6.3.6 Teplota dřeva S rostoucí teplotou se pevnost a pružnost dřeva snižuje. Vlivem nárůstu teploty do 70 C se pevnost a pružnost sníží jen dočasně, protože dojde k přechodné změně vnitřních energetických hladin bez porušení vzájemně rovnovážných poloh molekul.. Vlivem vyšších teplot nad 100 C vznikají ve dřevě trvalé změny způsobené porušením rovnovážně kmitajících molekul. Působením vysokých teplot nad 200 C se dřevo stává křehkým a nastupuje pyrolýza dřeva. Vliv teploty na mechanické vlastnosti se mění s vlhkostí. Zvyšováním teploty a vlhkosti se pevnost výrazně snižuje, přičemž současné působení obou faktorů snižuje pevnost více, než působením každého samostatně [Gandelová a kol., 2004]. 3.6.4 Vliv koncentrace impregnačních látek na mez pevnosti Petr Koňas ve své práci dospěl k závěru, že vliv koncentrace impregnačních látek na mez pevnosti v tlaku u SM je statisticky významný, nelineární s nárůstem náhodných vlivů v hraničních koncentracích (příliš malých a příliš velkých koncentrací). Za statisticky významný považuje i vliv makroskopické struktury stanovené horizontální a vertikální polohou v kmeni. Ve výstupní práci je uvedeno pouze vizuální zhodnocení grafických i numerických výsledků. Na jejich základě autor konstatoval, že nebyla nalezena žádná relevantní statistika, která by vykazovala trend, závislost a nebo jinak podporovala hypotézu o statistické významnosti vztahu mezi vlhkostí či hustotou a koncentrací impregnační látky [Koňas, 2000]. 31
4 Materiál a metodika 4.1 Impregnační prostředky Pro experiment byly vybrány impregnační prostředky Bochemit QB a Lignofix E-PROFI. Tyto prostředky jsou běžně dostupné na českém trhu a patří u nás mezi nejpoužívanější. 4.1.1 Bochemit QB Bochemit QB je koncentrovaný fungicidní a insekticidní vodou ředitelný přípravek pro dlouhodobou ochranu dřeva i zdiva. Použití: Bochemit QB je určen pro povrchovou, i hloubkovou impregnaci řeziva, krovů a dalšího stavebního dřeva při stavbách a rekonstrukcích v interiérech i exteriérech (třída ohrožení 3). Chrání dřevo vůči dřevokazným houbám třídy Basidiomycetes, plísním a dřevokaznému hmyzu. Bochemit QB je možno použít i na ochranu zdiva proti plísním a sanaci zdiva napadeného dřevomorkou domácí. Typové označení dle ČSN 49 0600 1: F B, P, I P, 1, 2, 3, D, SP Aplikace: Bochemit QB se aplikuje nátěrem, postřikem, máčením, ponořováním a tlakovou impregnací. Zdivo napadené dřevomorkou domácí se sanuje injektáží. Účinné složky: alkylbenzyldimetylamonium chlorid. 20 % kyselina boritá... 20 % 32
Životnost provedené ochrany: Vzhledem k charakteru přípravku se předpokládá dlouhodobá ochrana min. 10 let pro 3. třídu ohrožení a časově neomezená v 1. a 2. třídě ohrožení. Výrobce: Bochemie, spol. s r. o., Bohumín 4.1.2 Lignofix E-PROFI Speciální koncentrovaný přípravek, který obsahuje kombinaci účinných látek insekticidního a fungicidního charakteru, zaručující účinnou preventivní ochranu proti dřevokazným houbám třídy Basidiomycetes, plísním a proti hmyzu. Použití: Lignofix E-PROFI je určen k ochraně dřevěných stavebních konstrukcí a prvků staveb. Dle ČSN 49 0600-1 je použitelný do třídy 1, 2 a 3 a nevhodný do exteriéru s trvalým kontaktem se zemí a vodou. Typové označení dle ČSN 49 0600 1: F B, P, I P, 1, 2, 3, SP Aplikace: Lignofix E-PROFI se aplikuje nátěrem, postřikem, máčením nebo ponořováním. Účinné složky: Lignofix E-PROFI obsahuje kvartérní amoniovou sůl, kyselinu boritou a vícesytné alkoholy, které zaručují rychlý příjem účinných látek a dobrou penetraci. Životnost ochrany: V interiéru neomezeně, v exteriéru kontrola po 10 letech. Výrobce: Qualichem, spol. s r. o., Mělník 33
a) b) obr. 4: Použité impregnační prostředky: a) Bochemit QB, b) Lignofix E-PROFI 4.2 Zkušební vzorky Pro experimentální měření byla vybrána naše nejrozšířenější dřevina smrk ztepilý (Picea Abies. (L). Karst.). Rozměry vzorků: 20 x 20 x 30 mm. Každý vzorek je opracován frézováním, s plochami čistě radiálními, tangenciálními a podélnými. a) b) c) Obr. 5: Zkušební tělíska pro zjišťování mechanických vlastností v tlaku podél vláken a) ošetřené impregnačním prostředkem Bochemit QB b) ošetřené impregnačním prostředkem Lignofix E-PROFI c) bez impregnace 34
4.3 Použité přístroje a pomůcky: a) Zkušební stroj pro stanovení meze pevnosti a modulu pružnosti ZWICK/Z050, b) Sušárna, c) Digitální posuvné měřítko s přesností na 0,001mm, d) Digitální laboratorní váha s přesností na 0,001g, e) Nádoby pro namočení 4.4 Postup Výběr zkušebních tělísek byl proveden dle normy 490101. Jak uvádí norma, každý vzorek má být opracován čistě, s plochami čistě radiálními, tangenciálními a podélnými. Dřevo musí být bez trhlin, zabarvení, hniloby, mechanického či biologického poškození nebo jiných vad. Středová část stromu dřeň není také přípustná. Po technologickém opracování (řezání, frézování) byly vzorky vysušeny na w = 0%. Po vysušení byly vzorky změřeny pomocí posuvného měřidla s přesností na 0,01 mm, zváženy na laboratorních vahách s přesností na 0,001g a každý vzorek označen číslem. Ze zjištěné hmotnosti a rozměrů jednotlivých vzorků byla vypočítána hustota dřeva každého vzorku. Aby konečné výsledky experimentu nebyli ovlivněny rozdílnou hustotou dřeva v jednotlivých skupinách, byly vzorky rozděleny do tří skupin tak, aby byla průměrná hustota dřeva vzorků v každé skupině přibližně stejná. Každá skupina je tvořena 30 vzorky. Poté byla provedena impregnace máčením. Vzorky jedné skupiny byly máčeny po dobu 24 hodin v impregnačním prostředku Bochemit QB, který byl dle návodu zředěn vodou v poměru 1:9. Vzorky druhé skupiny byly po stejnou dobu máčeny v impregnačním prostředku Lignofix E-PROFI, který byl také zředěn v poměru 1:9 vodou a vzorky třetí skupiny byly ponechány bez impregnace. Po ukončení máčení byly impregnované vzorky vysušeny na w = 0%. Po vysušení byly vzorky opět změřeny a zváženy. Ze zjištěné hmotnosti a rozměrů jednotlivých vzorků byla vypočítána hustota 35
dřeva každého vzorku. Odečtením hmotnosti dřeva před impregnací od hmotnosti dřeva po impregnaci, byla zjištěna hmotnost samotné impregnační látky v každém vzorku. Po té byly vzorky, po dobu jednoho týdne, klimatizovány na vlhkost prostředí zkušební místnosti. Na laboratorních vahách byla zjištěna aktuální hmotnost jednotlivých vzorků. Změřili se rovněž rozměry tělísek. Všechny zjištěné hodnoty se zapsali do softwarového programu, který obsluhuje zkušební stroj (ZWICKER). Program automaticky dle hmotnosti a objemu vypočetl hustotu tělísek. Poté se zkušební tělíska postupně vkládala do zkušebního stroje, který pomocí obslužného programu vyhodnocoval změnu působícího tlaku a změnu rozměrů tělísek (jako poměrnou deformaci) v podobě pracovního diagramu. Tělíska byla zatěžována tlakem podél vláken. Získaná data z obslužného programu byla převedena do programu Excel, kde byly sestrojeny jednotlivé závislosti. 4.5 Metody používané při výpočtu veličin 4.5.1 Stanovení hustoty Hustota dřeva zkušebních vzorků se vypočítá podle normy ČSN 490108. r w = m w / a. b. c = m w / V w [kg. m -3 ] kde: r w je hustota dřeva při určité vlhkosti [kg. m -3 ] m w je hmotnost zkušebního vzorku při určité vlhkosti [kg] a,b,c rozměry zkušebního vzorku V w objem zkušebního vzorku při určité vlhkosti [m 3 ] 36
vztahu: Hustotu dřeva zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu vypočítáme ze r 0 = m 0 / a. b. c = m 0 / V 0 [kg. m -3 ] kde: r 0 je hustota dřeva při vlhkosti dřeva w = 0% [kg. m -3 ] m 0 je hmotnost zkušebního vzorku při vlhkosti dřeva w = 0% [kg] a,b,c rozměry zkušebního vzorku V 0 objem zkušebního vzorku při vlhkosti dřeva w = 0% [m 3 ] a) b) Obr. 6: Pomůcky použité pro zjištění hustoty dřeva: a) digitální laboratorní váha b) digitální posuvné měřítko 4.5.2 Množství impregnačního prostředku ve dřevě Pro porovnání množství impregnační látky ve dřevě u obou použitých prostředků zjistíme hmotnost zkušebních vzorků v absolutně suchém stavu před impregnací a po impregnaci. Hmotnost impregnační látky zjistíme ze vztahu: m impreg. = m 0 před m 0 po [g] kde: m impreg. je hmotnost impregnační látky ve vzorku [g], m 0 před je hmotnost zkušebního vzorku před impregnaci při w = 0%, m 0 po je hmotnost zkušebního vzorku po impregnaci při w = 0%. 37
4.5.3 Vlhkost dřeva Vlhkost zkušebních vzorku se stanoví podle normy ČSN 490103. w = (m w m 0 / m 0 ). 100 [%] kde: w je vlhkost dřeva zkušebního vzorku [%] m w je hmotnost zkušebního vzorku při určité vlhkosti [g] m 0 je hmotnost zkušebního vzorku v absolutné suchém stavu [g] 4.5.4 Pevnost dřeva 4.5.4.1 Mez pevnosti Stanovení meze pevnosti v tlaku podél vláken probíhá podle ČSN 490110. Zkouška spočívá ve zjištění maximálního zatížení (zatížení při porušení zkušebního tělíska) a výpočtu napětí při tomto zatížení. Zkušební tělísko je vloženo na střed kruhovitých tlačných čelistí a stlačováno hlavou stroje konstantní rychlostí. Vtah pro výpočet meze pevnosti: s p = F max / a. b [MPa] kde: s p velikost napětí na mezi pevnosti [MPa], F max je síla na mezi pevnosti [N], a,b příčné rozměry tělesa [mm], 38
4.5.4.2 Modul pružnosti Modul pružnosti v tlaku podél vláken se stanoví podle normy ČSN 490111. Zkušební tělísko se vloží mezi tlačné desky stroje a připevní se na něj extenzometr. V softwaru počítače, který ovládá zkušební stroj, je nastaveno při jakém zatížení se extenzometr zapojí a při jakém se odpojí. Zatěžování tělíska pokračuje i po odpojení extenzometru z důvodu zjištění meze pevnosti. Extenzometr umožňuje měření poměrné deformace. Modul pružnosti se vypočítá podle vzorce: E = F ú. l / S. ru 1 [MPa] kde: E je modul pružnosti v tlaku podél vláken [MPa] F ú síla na mezi úměrnosti [N] l původní délka tělesa před silovým působením [m] S plocha na kterou síla F působí [m 2 ] ru 1 absolutní celková pružná deformace ve směru silového působení [m] 39
5 Výsledky 5.1 Vliv impregnace na hustotu dřeva Tab. č. 5 obsahuje průměrné hodnoty hustota dřeva před impregnací a po impregnaci konkrétním impregnačním prostředkem. Hustoty dřeva jsou uvedeny při 0% vlhkosti dřeva. Tab. 5: Průměrná hustota dřeva před impregnací a po impregnaci prostředky Bochemit QB a Lignofix E-PROFI Impregnační prostředek Průměrná hustota tělísek (kg.m -3 ) před impregnací po impregnaci Bochemit QB 517.32 523.39 Lignofix E-PROFI 517.82 526.64 Vliv impregnace na hustotu dřeva - Bochemit QB 550 540 Hustota (kg.m -3 ) 530 520 510 500 490 480 0 5 10 15 20 25 30 Zkušební tělíska před impregnací před impregnací po impregnaci po impregnaci Graf 1: Hustota dřeva jednotlivých tělísek před a po impregnaci Bochemitem QB 40
Hustota (kg.m -3 ) 550 540 530 520 510 500 490 480 Vliv impregnace na hustotu dřeva Lignofix-E-PROFI 0 5 10 15 20 25 30 Zkušební tělíska před impregnací před impregnací po impregnaci po impregnaci Graf 2: Hustota dřeva jednotlivých tělísek před a po impregnaci Lignofixem E-PROFI Z grafů 1 a 2 je patrné že hustota dřeva se po impregnaci mírně zvýší. U dřeva ošetřeného Bochemitem QB se hustota zvýšila v průměru o 6,07 kg.m -3. U dřeva ošetřeného Lignofixem E-PROFI vzrostla v průměru o 8,82 kg.m -3. 5.2 Množství impregnační látky v tělísku Tab. č. 6 obsahuje průměrné hmotnosti konkrétní impregnační látky ve zkušebních tělískách. Tab. 6: Průměrné množství impregnační látky v tělísku Průměrné množství impregnačního prostředku v tělísku (g) Bochemit QB Lignofix E - PROFI 0.101 0.160 41
Možství impregnačního prostředku (g) 0,200 0,180 0,160 0,140 0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 0,000 Množství impregnačního prostředku v tělísku 0 5 10 15 20 25 30 Tělíska Bochemit QB Lignofix E-profi Graf 3: Množství konkrétní impregnační látky v tělísku Z grafu 3 můžeme vyčíst, že impregnační prostředek Lignofix E-PROFI se proniká do dřeva mnohem lépe než Bochemit QB. a) b) Obr. 7: Ukázka prostupu impregnační látky do dřeva zkušebních vzorků a) Bochemit QB, b) Lignofix E-PROFI Z obrázku 7 je patrné, že impregnační látka se dostává do tělísek výhradně čelními konci v podélném směru. Prostup impregnační látky do dřeva umožňují hlavně letní letokruhy. Obrázek 7 potvrzuje, že příjem impregnačního prostředku Lignofix E- PROFI je lepší než příjem Bochemitu QB. 42
5.3 Vliv impregnace na mez pevnosti v tlaku podél vláken Tab. č. 7 obsahuje průměrné hodnoty meze pevnosti dřeva impregnovaného a dřeva bez impregnace. Tab. 7: Průměrná mez pevnosti dřeva impregnovaného prostředky Bochemit QB, Lignofix E-PROFI a dřeva bez impregnace Impregnační prostředek Průměrná mez pevnosti (MPa) Bez impregnace 85.41 Bochemit QB 95.78 Lignofix E-PROFI 96.39 Mez pevnosti 110 105 Mez pevnosti (MPa 100 95 90 85 80 75 70 65 60 0 5 10 15 20 25 30 Tělíska Bez impregnace Bochemit QB Lignofix E-PROFI Bez impregnace Bochemit QB Lignofix E-PROFI Graf 4. Mez pevnosti dřeva impregnovaného prostředky Bochemit QB, Lignofix E- PROFI a dřeva bez impregnace. 43
Na grafu 4 vidíme, že dřevo ošetřené impregnačními prostředky dosahuje vyšší meze pevnosti než dřevo bez impregnace. Při porovnání obou impregnačních prostředků pozorujeme, že mez pevnosti dřeva ošetřeného Lignofixem E-PROFI je nepatrně vyšší než u dřeva ošetřeného Bochemitem QB. 110 105 Závislost meze pevnosti na hustotě dřeva Mez pevnosti (MPa) 100 95 90 85 80 75 70 500 510 520 530 540 550 560 Hustota (kg.m-3) Bez impregnace Bochemit QB Lignofix E-PROFI Bez impregnace Bochemit QB Lignofix E-PROFI Graf 5: Závislost meze pevnosti na hustotě dřeva Z grafu 5 je zřejmé, že existuje lineární závislost meze pevnosti na hustotě dřeva. 44
5.4 Vliv impregnace dřeva na modul pružnosti Tab. č. 8 obsahuje průměrné hodnoty modulu pružnosti v tlaku podél vláken dřeva impregnovaného prostředky Bochemit QB, Lignofix E-PROFI a dřeva bez impregnace. tab. 8: Modul pružnosti dřeva impregnovaného prostředky Bochemit QB, Lignofix E-PROFI a dřeva bez impregnace. Impregnační prostředek Průměrný modul pružnosti (Mpa) Bez impregnace 17 905 Bochemit QB 22 920 Lignofix E-PROFI 26 966 40000 Modul pružnosti Modul pružnosti (MPa) 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 5 10 15 20 25 30 Tělíska Bez impregnace Bochemit QB Lignofix E-PROFI Bez impregnace Bochemit QB Lignofix E-PROFI Graf 6: Porovnání modulů pružnosti dřeva impregnovaného prostředky Bochemit QB, Lignofix E-PROFI a dřeva bez impregnace Z grafu 6 lze vyčíst, že dřevo ošetřené impregnačními prostředky dosahuje vyššího modulu pružnosti než dřevo bez impregnace. Při porovnání obou impregnačních prostředků pozorujeme, že modul pružnosti dřeva ošetřeného Lignofixem E-PROFI je vyšší než u dřeva ošetřeného Bochemitem QB. 45
6 Diskuse Z naměřených výsledků lze určit změnu hustoty impregnovaného dřeva, množství impregnační látky ve dřevě, meze pevnosti a moduly pružnosti dřeva impregnovaného a bez impregnace. Z grafů 1 a 2 je patrné že hustota dřeva se po impregnaci mírně zvýšila. U dřeva ošetřeného Bochemitem QB se hustota zvýšila v průměru o 6,07 kg.m -3. U dřeva ošetřeného Lignofixem E-PROFI vzrostla v průměru o 8,82 kg.m -3. Průměrné hodnoty hustoty dřeva před impregnací a po impregnaci konkrétním impregnačním prostředkem jsou uvedeny v tabulce 5. Zvýšení hustoty dřeva po impregnace může být způsobeno tím, že se impregnační látka ve dřevě dostává do mezibuněčných prostor, které tím vyplní nebo také tím, že proniká přímo do buněčných stěn, kde se váže na řetězce celulózy nebo ligninu a tím je zpevňuje. Pro přesnější popsání této problematiky by bylo potřeba provést podrobnější mikroskopické zkoumání. Vyšší nárůst hustoty u vzorků ošetřených Lignofixem E-PROFI bude pravděpodobně způsoben tím, že v těchto vzorcích bude více impregnační látky než ve vzorcích ošetřených Bochemitem QB. Tabulka 6 obsahuje průměrné hmotnosti konkrétní impregnační látky ve zkušebních tělískách. U Lignofix E-PROFI je průměrné množství impregnační látky ve vzorku 0,160 g, u Bochemitu QB je to 0,101 g. Z toho plyne, že Lignofix E-PROFI prostupuje do dřeva mnohem lépe než Bochemit QB. V technickém popisu impregnačního prostředku výrobce uvádí, že Lignofix E PROFI obsahuje vícesytné alkoholy, které umožňují rychlou a hlubokou penetraci účinných látek do dřeva. Při porovnání s Bochemitem QB se toto tvrzení potvrdilo. Z obrázku 7 je také patrné, že impregnační látka se dostává do tělísek výhradně čelními konci v podélném směru, a že prostup impregnační látky do dřeva umožňují hlavně letní letokruhy. To potvrzuje teorii, že při vlhkostech pod bod nasycení buněčných stěn jsou dvojtečky jarního dřeva zavřeny a u letního dřeva zůstávají některé dále otevřené a že letní dřevo u jehličnanů se dá mnohem lépe proimpregnovat než dřevo jarní. 46