Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nauky o dřevě Bobtnání dubového dřeva ve vodě, glycerinu a etanolu BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 2007/2008 Martin Liška
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Bobtnání dubového dřeva ve vodě, glycerinu a etanolu zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně, dne:... podpis studenta
Poděkování Chtěl bych poděkovat především vedoucímu mé bakalářské práce, panu ing. Hanuši Vavrčíkovi, Ph.D. za ochotu a trpělivost při řešení problémů a otázek týkajících se mé práce. Dále bych rád poděkoval panu Josefu Fraňkovi za ochotu při výrobě zkušebních tělísek. Poděkování také patří mým rodičům za podporu při studiu na této škole.
Abstrakt Autor: Martin Liška Název práce: Bobtnání dubového dřeva ve vodě, glycerinu a etanolu Cílem práce je zjištění hodnot bobtnání dřeva dubu letního (Quercus robus L.) ve vodě, etanolu a glycerinu. Data získaná experimentálním měřením (vycházejícím ze standardních technických norem ČSN 49 0104, ČSN 49 0126, ČSN 49 0108, ČSN 49 0103, ČSN 49 0144) jako jsou celkové bobtnání, koeficienty bobtnání, nasáklivost a rychlost bobtnání jsou porovnána s literárními daty a diskutován je vliv chemických vlastností použitých kapalin na bobtnání. Rozdílné výsledky byly získány u celkového bobtnání dřeva dubu v glycerinu, naopak potvrzena byla závislost mezi celkovým bobtnáním, rychlostí bobtnání dřeva dubu a některými vlastnostmi použitých kapalin jako je viskozita nebo molární hmotnost. Klíčivá slova: bobtnání dřeva, rychlost bobtnání dřeva, nasáklivost, dub, voda, glycerin, etanol Abstract Author: Martin Liška The name of the work: Swelling of oak wood in water, glycerine and ethanol The aim of the work is to determine the values of forest oak (Quercus robus L.) wood swelling in water, ethanol and glycerine. The data obtained by experimental measuring (based on technical standards ČSN 49 0104, ČSN 49 0126, ČSN 49 0108, ČSN 49 0103, ČSN 49 0144) concerning total swelling, swelling coefficients, absorbing power and swelling speed are compared with literature. The swelling effect of chemical qualities of the used liquids is discussed. We have obtained the different results in total oak wood swelling in glycerine. On the other hand we have proved the dependences between total swelling, the speed of oak wood swelling and some qualities of the used liquids, e.g. viscosity or molar mass. Key words: wood swelling, rate of wood swelling, absorbing power, oak, water, glycerine, ethanol
Obsah Úvod... 8 1 Cíl práce... 9 2 Literární přehled... 10 2.1 Teorie bobtnání dřeva... 10 2.2 Bobtnání dřeva v různých kapalinách... 12 2.2.1 Výzkumy v oblasti bobtnání dřeva v organických kapalinách... 13 2.3 Nasáklivost dřeva... 16 2.4 Charakteristika glycerinu, etanolu a vody... 16 2.4.1 Glycerin... 17 2.4.2 Etanol... 17 2.4.3 Voda... 18 2.5 Dřevo dubu... 19 2.5.1 Makroskopická stavba... 19 2.5.2 Mikroskopická stavba... 19 2.5.3 Chemická stavba... 20 2.5.4 Fyzikální vlastnosti... 21 2.5.5 Využití dřeva dubu... 21 3 Materiál a metodika... 23 3.1 Zjišťování maximálního bobtnání a nasáklivosti... 23 3.1.1 Materiál... 23 3.1.2 Zařízení a pomůcky... 23 3.1.3 Metodika... 24 3.2 Zjišťování rychlosti bobtnání... 28 3.2.1 Materiál... 28 3.2.2 Zařízení a pomůcky... 28 3.2.3 Metodika... 28 4 Výsledky... 31 4.1 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu ve vybraných tekutinách... 31 4.1.1 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu ve vodě... 31 4.1.2 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu v etanolu... 33 4.1.3 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu v glycerinu... 35 4.2 Rychlost bobtnání dubu ve vybraných kapalinách... 37
4.2.1 Rychlost bobtnání dubu ve vodě... 37 4.2.2 Rychlost bobtnání dubu v etanolu... 39 4.2.3 Rychlost bobtnání dubu v glycerinu... 40 4.3 Srovnání bobtnání v jednotlivých kapalinách... 42 5 Diskuze... 44 5.1 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu ve vybraných tekutinách... 44 5.1.1 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu ve vodě... 44 5.1.2 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu v etanolu... 44 5.1.3 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu ve vodě... 45 5.1.4 Zjištěné závislosti u celkového bobtnání dřeva v použitých kapalinách... 46 5.2 Rychlost bobtnání dřeva dubu ve vodě, glycerinu a etanolu... 46 6 Závěr... 48 7 Resume... 49 8 Literatura... 50
Úvod Tato práce se zabývá bobtnáním dřeva, které patří mezi fyzikální vlastnosti dřeva. Především se zaměřuje na bobtnání dřeva dubu v různých kapalinách. Dřevo je díky svým vlastnostem nejpoužívanějším materiálem v nábytkářském průmyslu a v dalších průmyslových odvětvích jako je stavebnictví je hojně používáno. Proto je důležité znát co nejlépe všechny jeho vlastnosti a jeho chování v určitých podmínkách. Bobtnání dřeva je zvláště důležitou vlastností, kterou by každý kdo zpracovává dřevo měl znát. Při bobtnání dřeva se totiž vlivem přijímání vlhkosti z okolí zvětšují jeho rozměry, což může činit jisté potíže při zpracování a používání dřeva. Dalšími negativními faktory spojenými s bobtnáním dřeva, potažmo přijímáním vlhkosti je zhoršování mechanických vlastností a zvyšování hmotnosti. Dřevo bobtná jen do meze nasycení buněčných stěn a s další přibývající vlhkostí stoupá už jen jeho hmotnost. Tato mez je u každé kapaliny jiná a závisí na chemických vlastnostech dřeva a kapaliny. Bobtnání dřeva v různých kapalinách má význam pro široký okruh komerčních a výzkumných procesů. Setkat se s ním můžeme v široké škále aplikací dřeva, jehož podstatou je přidávání nebo odstraňování kapalin z buněčné stěny. To zahrnuje různorodé procesy jako rozvlákňování, ochranu dřeva, extrakci složek ze dřeva, rozměrovou stabilizaci a chemickou modifikaci dřeva. Budoucí použití dřeva pro upravené produkty bude v jeho vývoji nutně zahrnovat nějaký typ chemické úpravy, to znamená, že dřevo přijde do styku s nějakou chemikálií a tato práce se snaží odpovědět na otázku: jak na ni bude reagovat? 8
1 Cíl práce Cílem této bakalářské práce je analyzovat bobtnání dřeva dubu letního (Quercus robus L.) ve vodě, etanolu a glycerinu. Tzn. vyjádřit veličiny, které charakterizují chování dřeva dubu v uvedených kapalinách, kterými jsou celkové bobtnání, koeficienty bobtnání, rychlost bobtnání a nasáklivost. Současně si tato práce klade za cíl zjistit vhodnost použití metody vytláčení vody podle Olesena, k měření rychlosti bobtnání dřeva. Hodnoty zjištěné měřením budou statisticky vyhodnoceny a porovnány s hodnotami dostupnými v literatuře. 9
2 Literární přehled 2.1 Teorie bobtnání dřeva Bobtnání dřeva je proces, při kterém se zvětšují rozměry dřeva. Děje se tak díky ukládání tzv. vody vázané do buněčných stěn, kde vniká mezi mikrofibrily. Tam tvoří nejprve monomolekulární a později polymolekulární vrstvu a tím tlačí mikrofibrily od sebe (Obr. 1), následkem toho se zvětšují rozměry buněčných stěn a celého dřeva. Bobtnání dřeva probíhá jen do meze nasycení buněčných stěn (MNBS). Další přijímaná voda, tzv. voda volná, se ukládá do buněčných dutin (lumenů), čímž už dále nemění rozměry, ale pouze se zvyšuje hmotnost (Křupalová 1999). Dřevo nebobtná rovnoměrně, ale ze začátku je bobtnání rychlejší a s přibližováním se k vlhkosti MNBS se rychlost bobtnání snižuje. S bobtnáním a přibývající vlhkostí se zhoršují mechanické vlastnosti dřeva. A monomolekulární vrstva vázaná volnými skupinami celulózových řetězců B postupná tvorba monomolekulární vrstvy narušováním vazeb vodíkovými můstky mezi sousedními řetězci celulózy C plymolekulární vrstva vody D schématické znázornění monomolekulární a polymolekulární vrstvy vody vázané Obr. 1: Průběh přijímání vody vázané mezi mikrofibrily (Tsoumis 1991) Bobtnání rozlišujeme na lineární (napříč vláken ve směru radiálním, tangenciálním a podélném) a objemové (změna objemu tělesa). Jako maximální bobtnání se označuje bobtnání ze stavu absolutně suchého do MNBS a jako částečné bobtnání je označováno takové, jenž probíhá ze stavu absolutně suchého do vlhkosti nižší než je MNBS. Bobtnání se vyjadřuje podílem změny rozměru k původní hodnotě a uvádí se nejčastěji v %. Bobtnání dřeva má anizotropní charakter. Podél vláken je bobtnání velmi malé a nepřesahuje 1 %, průměrná hodnota celkového podélného bobtnání se pro naše dřeva udává 0,1 až 0,4 % (Horáček 2001). V příčném směru dřevo bobtná mnohem více, 10
v radiálním směru 3 až 6 %, v tangenciálním směru 6 až 12 %. Celkové objemové bobtnání je dáno součtem bobtnání podélného, radiálního a tangenciálního. Bobtnání v jednotlivých anatomických směrech se často vyjadřuje poměrem: α t : α r : α l = 20 : 10 : 1 Hlavní důvod těchto rozdílů bobtnání je dán orientací fibril v buněčné stěně. Vzhledem k tomu že největší podíl z buněčné stěny připadá na S2 vrstvu sekundární buněčné stěny (až 90 %), kde je odklon fibril od podélné osy minimální (15 30 ), dochází k největším rozměrovým změnám ve směru napříč vláken (Obr. 2b). Bobtnání v podélném směru je díky malému sklonu minimální. Malé rozměrové změny v podélném směru se vysvětlují tím, že molekuly vody nemohou vnikat mezi fibrily do valenčního řetězce v podélném spojení, takže nenastává jejich rozestoupení v tomto směru. Rozdílné bobtnání v radiálním a tangenciálním směru je vysvětlováno větší tloušťkou buněčné stěny v tangenciálním směru než v radiálním (Obr. 2a) a orientací dřeňových paprsků v radiálním směru. Fibrily ve stěnách parenchymatických buněk jsou převážně orientovány v ose buňky (v radiálním směru) a toto uložení způsobuje restrikci hygroexpanze dřeva v radiálním směru (Horáček 2001). Obr. 2: Příčný řez buněčnou stěnou a) tloušťky jednotlivých vrstev, b) odklon fibril v jednotlivých vrstvách (ML střední lamela; P primární stěna; S sekundární stěna tvořená vnější S1, střední S2 a vnitřní S3 vrstvou; CML složená střední lamela; L - lumen) (Grosser 1985) Poměr bobtnání v radiálním a tangenciálním směru se nazývá diferenciální bobtnání. Hodnota diferenciálního bobtnání závisí na hustotě dřeva, jelikož s rostoucí hustotou se snižuje (Horáček 2001). Průměrná hodnota se udává kolem 2, běžně se však pohybuje v intervalu od 1 do 3,5. 11
Hustota dřeva se zvyšuje s vlhkostí, ale hmotnost a objem dřeva nerostou stejným způsobem. Zatímco hmotnost dřeva roste se zvyšující se vlhkostí až do maximálního nasycení (maximální vlhkost dřeva), objem se zvyšuje jen do BNBS (Horáček 2001). Bobtnání patří k negativním vlastnostem dřeva, pouze v některých případech jej lze využít (např. u sudů, necek, apod.). Většinou však bobtnání způsobuje nemalé potíže při zpracování a využívání dřeva, jelikož je velmi často spojeno také s borcením dřeva. Borcení dřeva vzniká v důsledku anizotropního charakteru hygroexpanze dřeva. Může se vyskytovat jak v příčném tak v podélném směru, jelikož používaný sortiment je ve většině případů speciálně ortotropní. 2.2 Bobtnání dřeva v různých kapalinách Dřevo bobtná ve větší nebo menší míře i v jiných kapalinách než je voda. Stupeň vniku tekutin nebo roztoků do submikroskopických kapilár se liší podle velikosti jejich molekul a permitivity. Některé kapaliny se zřetelem na velikost jejich molekul nepronikají do submikroskopické struktury dřeva, a proto nezpůsobují žádné bobtnání. Bobtnání dřeva v různých kapalinách je tím větší, čím vyšší je jejich permitivita. Voda a glycerin mají vysokou permitivitu (dielektrická konstanta), což vyvolává větší bobtnání dřeva než v kapalinách s nižší permitivitou, jako jsou například etanol, benzín a jiné (Požgaj 1997) (Tab. 1). Bobtnání též závisí na velikosti molekul kapalin, čím větší jsou molekuly tekutiny, tím je bobtnání dřeva menší (Lexa a kol. 1952). Dále má na bobtnání vliv polarita tekutin. Zjistilo se, že polární alkoholová skupina n-amylalkoholu zapříčiňuje menší bobtnání než alkoholová skupina s krátkými, malými, vláknitými molekulami (např. metyl). Vyšší alkoholy zapříčiňují nepatrné bobtnání. S bobtnáním dřeva v různých kapalinách se můžeme setkat při procesech jako jsou rozvlákňování, ochrana, extrakce složek dřeva, rozměrová stabilizace a chemická modifikace. Použití dřeva pro upravené produkty bude v jeho vývoji nutně zahrnovat nějaký typ chemické modifikace dřeva (Mantanis a kol. 1993). 12
Dielektrická konstanta Tekutina Borovice (běl) β t [%] (50. dnů) Borovice Buk (jádro) Dub 81,0 Voda 10,2 9,8-10,1 43,0 Glycerin 9,3 3,4 11,2-25,7 Etanol 8,4 6,7 11,5 8,7 Tab. 1: Tangenciální bobtnání dřeva ve vybraných tekutinách (Lexa a kol. 1952) 2.2.1 Výzkumy v oblasti bobtnání dřeva v organických kapalinách Podle práce Ericksona a Reese (1949) se pevnost dřeva při bobtnání v organických tekutinách méně sníží, než při bobtnání ve vodě (při stejné míře bobtnání), z čehož se dá usuzovat, že tyto kapaliny musí mít na dřevo určitý specifický účinek, který je odlišný od účinku vody. Z výzkumu Mantanise (Mantanis a kol. 1993) (bylo zkoumáno bobtnání několika severoamerických dřevin ve čtyřiceti organických kapalinách) vyplývá, že existuje mnoho závislostí mezi maximálním bobtnáním dřeva v organických rozpouštědlech a vlastnostmi rozpouštědel různých chemických tříd. Byla zjištěna nepřímá závislost bobtnáním dřeva v organických kapalinách na molární hmotnosti rozpouštědla stejně jako na molárním objemu rozpouštědla, to znamená že čím je větší rozměr molekuly rozpouštědla, tím pomalejší je bobtnání. Maximální tangenciální bobtnání je pro všechny dřeviny lineárně závislé na bazicitě rozpouštědla. U dalších vlastností rozpouštědel jako dielektrická konstanta, povrchové napětí a moment dipólu byly zjištěny velmi slabé závislosti na maximálním tangenciálním bobtnání dřeva v organických tekutinách. Výsledky výzkumu Stamma a kol. (Stamm 1935, 1964; Stam a Tarkaw 1950) ukázaly, že při bobtnání dřeva je důležité brát v úvahu velikost molekul. Se zvětšujícím se objemem se nejen snižuje rychlost bobtnání, ale zmenšuje se i celkové bobtnání, právě kvůli obtížnosti větších molekul hladce se rozptýlit do struktury kapilár dřeva. Nejdokonalejší výzkum na bobtnání dřeva v organických tekutinách provedl Nayer (1948). Vyhodnotil různé možné předvídatelné faktory pro bobtnání dřeva. Pokoušel se o vyjádření závislosti mezi objemovým bobtnáním tenkých plátků dřeva ve velkém množství suchých organických tekutin, na permitivitě, momentu dipólu a povrchovém napětí tekutin. Jisté malé závislosti byly získány s výjimkou benzenových derivátů. 13
V jiné publikaci, Nayer a Hossfeld (1949) uvádějí závěr, že existuje závislost mezi mírou bobtnání a rozsahem vodíkových vazeb mezi kapalinou a složkami dřeva. Kumar (1957, 1958) našel výraznou závislost mezi mírou nabobtnání dřeva a množstvím přijaté kapaliny při maximálním nasycení. Též poznamenal, že s rostoucí velikostí molekul kapalin v homologické sérii kyselin se snížilo nabobtnání a bobtnání bylo také nepřímo úměrné k molekulové hmotnosti kapalin. Při srovnání maximálního tangenciálního bobtnání různých dřevin se podle Mantanise (Mantanis a kol. 1993) zdá, že většina organických tekutin nabobtnává různé dřeviny v téměř shodném rozsahu, nicméně jisté odchylky se mezi dřevinami vyskytují např. u butylaldehydu. Nebyl zjištěn žádný vztah mezi některými z typických vlastností rozpouštědel, jako jsou rozpustnost, permitivita, povrchové napětí a maximálním bobtnáním dřeva. Nicméně byla zjištěna závislost mezi maximálním tangenciálním bobtnáním a bazicitou rozpouštědla (Obr. 3). Obr. 3: Maximální tangenciální bobtnání smrku v 18-ti kapalinách ve vztahu k jejich bazicitě (Mantanis 1993) Vliv teploty na maximální bobtnání dřeva Horiike a Kato (1959) se domnívají, že existuje závislost mezi mírou bobtnání a teplotou máčení dřeva. Tato reakce dřeva při bobtnání byla vysvětlena hypotézou, že míra bobtnání má přímý vztah k síle vodíkových vazeb mezi složkami dřeva a kapaliny. Kajita a kol. (1979) potvrdil existenci vztahů mezi celkovým teplem máčení (W) a fyzikálně chemickými parametry 29 různých organických rozpouštědel. Obzvlášť jasný vztah byl zjištěn mezi hodnotou W a schopnostmi vodíkových vazeb rozpouštědel. 14
Rowell (1984), při výzkumu reakce epoxidů se dřevem, pozoroval dramatický efekt působení teploty na bobtnání dřeva pro sérii organických rozpouštědel. U některých rozpouštědel, která nezpůsobovala bobtnání dřeva při pokojové teplotě, bylo zjištěno výrazné bobtnání dřeva při zvýšených teplotách. West a Banks (West 1988; West a Banks 1989) při své důkladné práci měřili poměry bobtnání dřeva v závislosti na teplotě v omezeném množství organických tekutin. Předpokládali, že bobtnání je bimolekulární reakce a vyžaduje pouze střet molekul rozpouštědla se dřevem. Při svém měření shledali, že míra bobtnání v organických tekutinách prokázala silnou závislost na teplotě, která je přesně podřízena klasické Arheniusově rovnici (1889). Rychlost bobtnání dřeva v organických kapalinách West a Banks (1989) určovali rychlost bobtnání jako polovinu času potřebného k maximálnímu nabobtnání (t ½). Stamm (1956) ve své práci zpozoroval, že počáteční ⅔ části tangenciálního bobtnání smrkového dřeva ve vodě vykazovaly průběh lineární. Konstanta rychlosti bobtnání k je pak odvozena od strmosti této části křivky (např. k = 0,2011 %/min) (Obr. 4). Obr. 4: Příklad průběhu bobtnání u osiky v pyridinu při teplotě 23 C (Mantanis 1993) Stejný způsob použil Mantanis (Mantanis a kol. 1993), pro určení rychlosti bobtnání dřeva v tangenciálním směru v organických tekutinách. Podle jeho práce se rychlost bobtnání dramaticky zvyšuje se zmenšující se molekulou u homologických sérií alkoholů, acetátů a organických kyselin (Mantanis a kol. 1993). U etanolu a vody 15
byla zjištěna velmi vysoká rychlost bobtnání (Tab. 2), k měření byly použity vzorky o rozměrech 25 (radiální) 25 (tangenciální) 5 (podélný) mm. Tekutina k [%/min] Smrk Douglaska Javor Osika Voda 0,980 0,300 0,300 0,800 Etanol 0,130 0,042 0,600 0,250 Tab. 2: Rychlost tangenciálního bobtnání některých dřevin ve vodě a etanolu (Mantanis 1993) 2.3 Nasáklivost dřeva Je to schopnost dřeva, díky pórovité stavbě, přijímat vodu ve skupenství kapalném. Množství pohlcené vody závisí na čase, po který bylo dřevo uloženo ve vodě. Největší množství pohlcené vody se skládá z vody volné (kapilární) a vody vázané (hygroskopické). Množství vázané vody je přibližně 30 %, množství volné vody tedy závisí na objemu buněčných dutin všech dřevních buněk, který je nepřímo úměrný hustotě dřeva. Dřevo je považováno za maximálně nasáklé vodou (má maximální vlhkost) tehdy, je-li plně nasyceno vodou vázanou a obsahuje-li maximální množství vody volné. Rychlost nasáklivosti závisí na druhu dřeviny, počáteční vlhkosti, teplotě, tvaru a rozměru sortimentu. Nasáklivost jádra ve dřevě je menší než běle. Se zvyšující hustotou dřeva se nasáklivost zmenšuje. Zvýšením teploty se nasáklivost dřeva urychluje (Horáček 2001). 2.4 Charakteristika glycerinu, etanolu a vody V tabulce jsou uvedeny (Tab. 3) vybrané vlastnost glycerinu, etanolu a vody, které je důležité znát při porovnávání bobtnání dřeva v těchto kapalinách. Vybrané vlastnosti Glycerol Etanol Voda Molární hmotnost [g/mol] 92,09 46,07 18,18 Teplota tání [ C] 17,8-114,4 0,0 Teplota varu [ C] 290,0 78,3 100,0 Hustota [g cm -3 ] 1,2600 0,7890 0,9997 Viskozita (při 20 C) [Pa s] 1,480 1,200 1,002 Disociační konstanta pk a 14,4 15,9 14,0 Tab. 3: Vybrané fyzikálně chemické vlastnosti kapalin (http://cs.wikipedia.org/wiki/ wikipedia) 16
2.4.1 Glycerin Glycerin, neboli glycerol, systematickým názvem propan-1,2,3-triol (sumární vzorec je tedy C 3 H 8 O 3 ), je hygroskopická bezbarvá viskózní kapalina bez zápachu, sladké chuti. Je důležitou biogenní organickou sloučeninou, neboť je ve formě svých esterů součástí tuků. Glycerin je trojsytný alkohol. Jeho oxidací vzniká celá řada látek (monosacharidy a kyseliny). Neomezeně se mísí s vodou a jednoduchými alkoholy. Vyrábí se z přírodních tuků, kdy při výrobě mýdla se tuky štěpí na glycerin a směs alkalických solí alifatických kyselin, které jsou podstatou mýdla. Glycerol vzniká vedle etanolu v procesu kvašení glukosy, proto je také vedlejším produktem přípravy etanolu z glukosy fermentací kvasinek. Glycerin se používá mj. v kosmetických výrobcích jako přísada v hydratačních krémech pro zvlhčování pokožky a sliznic, neboť váže atmosférickou vlhkost, dále pak při výrobě plastických hmot zejména jako změkčovadlo, léčiv, past, barviv, výbušnin. Dále se používá v potravinářském průmyslu jako sladidlo, jako změkčovadlo želé a jiných cukrovinkách. Jako součást potravin má označení E 422. Do styku se dřevem může glycerin přijít ve výzkumu mikroskopické stavby dřeva, kde se používá při výrobě dřevních preparátů k jejich změkčení. 2.4.2 Etanol Etanol, nebo etylalkohol (lidově nesprávně líh či alkohol) je druhý nejnižší alkohol. Jeho sumární vzorec je C 2 H 6 O. Je to bezbarvá kapalina ostré, ale ve zředění příjemné alkalické vůně, která je základní součástí alkoholových nápojů. Je snadno zápalný a proto je klasifikován jako hořlavina 1. třídy. Největší část produkce etanolu se připravuje z jednoduchých sacharidů (cukrů) alkoholovým kvašením působením různých druhů kvasinek. Samotný etanol je látka poměrně reaktivní, zvlášť bouřlivě reaguje s alkalickými kovy (sodíkem nebo draslíkem). S vodou se mísí neomezeně. Nejznámější použití etanolu je výroba alkoholických nápojů. Také se používá pro zlepšení výkonu spalovacích motorů jako přídavek do pohonných hmot. Dále se používá v lékařství jako rozpouštědlo a k dezinfekci, v oblasti kosmetiky, na čistící prostředky. V chemickém průmyslu se používá jako surovina při výrobě dalších organických sloučenin (etenu, kyseliny octové aj.). Do styku se dřevem se může etanol dostat prostřednictvím ochranných látek, mořidel a nátěrových hmot, kde je často používán jako nosič účinné látky a pigmentů. 17
2.4.3 Voda Voda, systematicky oxidan (sumární vzorec H 2 O), je chemická sloučenina vodíku a kyslíku. Spolu se vzduchem resp. zemskou atmosférou tvoří základní podmínky pro existenci života na Zemi. Za normální teploty a tlaku je to bezbarvá čirá kapalina bez zápachu, v silnější vrstvě namodralá. V přírodě se vyskytuje ve třech skupenstvích v pevném, kapalném a plynném. Voda vzniká prudkým až explozivním slučováním vodíku s kyslíkem (hořením bezbarvým plamenem) za vývinu velkého množství tepla (exotermní reakce). Mimořádné chemické a fyzikální vlastnosti vody jsou důsledkem geometrie její molekuly (atomy v ní vázané nejsou uspořádány lineárně). Polaritě vazeb a zmíněné nelinearitě molekuly vděčí molekula vody za svoji polaritu, za existenci vodíkových vazeb (vodíkové můstky) a dalších výjimečných vlastností, jako jsou: specifická skupenská teplota, měrná tepelná kapacita (je třikrát větší než u většiny ostatních látek) aj. Voda je nejdůležitější surovinou všech průmyslových odvětví. Používá se ke chlazení, ohřevu, oplachu, výrobě elektrické energie ve formě páry a v potravinářství. 18
2.5 Dřevo dubu 2.5.1 Makroskopická stavba Dub se řadí do skupiny dřev listnatých s kruhovitě pórovitou stavbou dřeva. Běl u dubu je úzká nažloutlá až světlehnědá a jádro je mohutné žlutohnědé až temně hnědé. Má zřetelnou hranici mezi letokruhy i hranici mezi jarním a letním dřevem. V letokruhu převažuje zastoupení letního dřeva. Na radiálním řezu lze pozorovat velmi široké dřeňové paprsky, které vytvářejí tzv. zrcadla. Mikropóry, nacházející se v letním dřevě se formují do, pro dub charakteristického znaku, radiálního žíhání. Makropóry tvoří na podélném řezu zřetelné rýhy. a) příčný řez b) radiální řez c) tangenciální řez Obr. 5: Makroskopická stavba dřeva dubu (Vavrčík a kol. 2002) 2.5.2 Mikroskopická stavba Stejně jako u ostatních listnatých dřev je dřevo dubu tvořeno čtyřmi typy buněk: - cévy - vodivá funkce - cévice (tracheidy) cévovité s vodivou a vláknité s mechanickou funkcí - libriformní vlákna mechanická funkce - parenchimatické buňky zásobní funkce Typickými znaky mikroskopické stavby dubu jsou: - jedno až mnohovrstevnaté dřeňové paprsky (Obr. 6) 19
- uspořádání letních cév do radiálních seskupení (plaménků) - výskyt thyl v cévách (Obr. 6) - jednoduchá perforace cév - tracheidy vláknité, cévovité a vazicentrické Obr. 6: Mikroskopický snímek dřeva dubu (příčný řez) (Vavrčík a kol. 2002) 2.5.3 Chemická stavba Po chemické stránce se dřevo dubu skládá, stejně jako ostatní dřeva, z organických látek celulózy, hemicelulózy a ligninu. Kromě těchto organických látek jsou ve dřevě přítomny i látky anorganické minerální, z nichž po spálení dřeva vzniká popel. Dubové dřevo je charakteristické vysokým obsahem tříslovin. Obsah těchto látek udává dřevu hodnotu ph, která je u dubu 3,9 (Wagenführ 2000). Celulóza je základní stavební látkou buněčné stěny. Je velmi stálá, ve vodě a v běžných rozpouštědlech nerozpustná (etanol, zředěné kyseliny a alkálie). Lze ji hydrolyzovat silnými anorganickými a organickými kyselinami na glukózu. Hemicelulózy jsou směsi dalších polysacharidů. Tvoří tmelící složku mezi vláknitými strukturami celulosy a ligninu. Dělí se na pentosany a hexosany. Jsou málo stálé, jejich složení a vlastnosti nejsou složitější než u celulosy. Lze je extrahovat pomocí zředěných alkálií, některé i vodou. Jejich vliv na chemické a fyzikální vlastnosti se projevuje při technologických procesech (vaření, paření, sušení). Lignin představuje složitou aromatickou složku dřeva. Je částečně vázán na celulózu a hemicelulózu a jeho uvolnění působí při zpracování dřeva na celulózu značné potíže. Zvyšuje mechanickou pevnost dřeva a snižuje jeho propustnost. 20
Třísloviny se vyskytují ve dřevě, kůře, plodech a listech většiny dřevin. Vyznačují se intenzivní trpkou příchutí a octovým zápachem. Jsou rozpustné v etanolu a ve vodě. Na čerstvých řezech se rychle okysličují a zbarvují tmavě. Chemické složky Hodnoty Celulóza 24,9 34,3 % Lignin 37,6 42,8 % Éterické složky 0,4 0,6 % Pentozany 19,0 25,5 % Popeloviny 0,3 0,6 % Třísloviny 3 13 % Benzol-alkohol 4 % Tab. 4: Vybrané chemické složky ve dřevě dubu (Wagenführ 2000) 2.5.4 Fyzikální vlastnosti Dřevo dubu patří mezi středně těžká (ρ 0 680 kg m -3 ) a středně tvrdá dřeva (67,5 Mpa) (Šlezingerová, Gandelová 2002). Podle Tendelenburga a Mayer Wegelina (1955 upraveno Matovičem 1993) se MNBS u dubu pohybuje od 23 % do 25 %. Nasáklivost se podle Ugoleva (1975) u dubu pohybuje kolem 119 %. Fyzikální vlastnosti Hodnoty Objemová hmotnost dřeva v suchém stavu 390 650 930 kg m -3 Objemová hmotnost dřeva při 12 % vlhkosti 430 690 960 kg m -3 Objemová hmotnost dřeva v pokáceném stavu 650 1000 1160 kg m -3 Bobtnání délkové α l 0,4 % Bobtnání radiální α r 4,0 4,6 % Bobtnání tangenciální α t 7,8 10,0 % Bobtnání objemové α V 12,6 15,6 % Pórovitost 57 % * Koeficient bobtnání K αv 0,50 * Koeficient bobtnání K αr 0,19 * Koeficient bobtnání K αt 0,29 Tab. 5: Vybrané fyzikální vlastnosti dřeva dubu ve vztahu k bobtnání (Wagenführ 2000, *Ugolev 1975) 2.5.5 Využití dřeva dubu Dubové dřevo je díky vysokému obsahu tříslovin velmi trvanlivé a nehnije ve vodě, další velmi ceněnou vlastností u dubu je jeho tvrdost, proto nachází uplatnění v mnoha 21
oblastech, zejména na vodní stavby, ke stavbě lodí, ve stavebně-truhlářské výrobě, v nábytkářství, na výrobu pražců, sudů atd. (Benc 2007). 22
3 Materiál a metodika V následující kapitole jsou uvedeny charakteristiky použitých materiálů, postupy použité při jednotlivých zkouškách a způsoby vyhodnocování měření. Při zkouškách bylo vycházeno z následujících norem: ČSN 49 0104 Metoda zjišťování nasáklivosti a navlhavosti ČSN 49 0126 Skůšky vlastností rostlého dreva. Metoda zišťovania napučavosti. ČSN 49 0108 Dřevo zjišťování hustoty při fyzikálních a mechanických zkouškách ČSN 49 0103 Dřevo zjišťování vlhkost při fyzikálních a mechanických zkouškách ČSN 49 0144 Metoda zjišťování nasáklivosti 3.1 Zjišťování maximálního bobtnání a nasáklivosti 3.1.1 Materiál Pro dané zkoušky byly použity již vyrobené dubové vzorky, které byly z výzkumu variability vlastností dřeva dubu letního (Kuba 2006, Šácha 2006). Použité vzorky pocházely ze vzorníkových stromů skácených v oblasti Tvrdonic (lužní les). Všechny vzorky byly o rozměrech 20 20 30 mm ± 0,5 mm (ve směrech R T L). Vzorky neobsahovaly žádnou dřeň, trhliny, suky, nebo jiné viditelné vady. Pouze některé vzorky obsahovaly v malé míře běl. Jednotlivé plochy všech tělísek byly řádně opracovány a byly vzájemně kolmé. Tělíska byla víceméně obecně ortotropní s odklonem vláken nepřesahujícím 10. Pro zkoušky bylo vybráno celkem 180 vzorků. Původní použité značení na vzorcích umožnilo vybrat vzorky rovnoměrně z 5-ti kmenů s různým umístěním v kmeni (jak po výšce tak po šířce kmene). 3.1.2 Zařízení a pomůcky Konvekční sušárna Digitální váha Scaltec SBC 41 Digitální posuvné měřítko 23
Exsikátory Pinzeta Filtrační papír Počítač Ochranné prostředky (ochranné brýle, plášť, rukavice) 3.1.3 Metodika Nejprve byla tělíska sušena v sušárně při teplotě 103 C do absolutně suchého stavu (cca 2 dny). Po vysušení byla tělíska vytahována ze sušárny a následně byla změřena jejich hmotnost na digitální váze s přesností na 0,01 g a rozměry (ve směrech R,T,L) digitálním posuvným měřítkem s přesností na 0,01 mm. Okamžitě po měření byly vzorky uloženy do exsikátorů a zality vybranými kapalinami vždy po 60-ti vzorcích pro každou kapalinu (voda, glycerin, etanol). V následujících týdnech máčení byly měřeny rozměry a hmotnost vždy u stejných 5-ti kontrolních vzorků, s intervaly 2 až 3 dní. Jakmile se rozměry, při porovnání s předchozím měřením, přestaly měnit byly změřeny rozměry u všech vzorků v dané kapalině. Následně byly vzorky dále máčeny a měřením se dále sledovala hmotnost u kontrolních vzorků v intervalech 3 až 4 dní. Jakmile se hmotnost kontrolních vzorků přestala dále měnit, byla změřena hmotnost u všech vzorků v dané kapalině. Tímto způsobem se postupovalo u všech 3 kapalin. Při každém měření se musely tělíska důkladně otírat filtračním papírem, aby nebyla hmotnost ovlivněna kapalinou, která ulpívala na povrch tělísek (zejména u glycerinu). Obr. 7: Uložení vzorků v exsikátorech 24
U každého tělíska byl z naměřených hodnot vypočítán objem a hustota (jak za sucha tak za mokra a u kontrolních vzorků u každého měření) podle následujících vzorců: V = a b c V...objem zkušebního tělíska [m 3 ] a...tloušťka zkušebního tělíska [m] b...šířka zkušebního tělíska [m] c...délka zkušebního tělíska [m] ρ = m V ρ...hustota zkušebního tělíska [kg m -3 ] m...hmotnost zkušebního tělíska [kg] Výpočet nasáklivosti a maximálního bobtnání Pro zjištění nasáklivosti pro jednotlivé kapaliny byla vypočítána maximální vlhkost dřeva podle vzorce: W MAX = mw m ρka m 0 0 100 W MAX...maximální vlhkost dřeva [%] m w...hmotnost absolutně vlhkého dřeva [kg] m 0...hmotnost absolutně suchého dřeva [kg] ρ ka...hustota kapaliny [g cm -3 ] 25
Maximální bobtnání bylo zjištěno pomocí vzorce: α i max = i max i i 0 0 100 α i max...maximální bobtnání (V,R,T,L) [%] i max...hodnoty maximálně nabobtnalého tělíska V,R,T,L [m 3, m] i 0...hodnoty absolutně suchého tělíska V,R,T,L [m 3, m] Ze zjištěného maximálního bobtnání v tangenciálním a radiálním směru bylo vypočítáno diferenciální bobtnání: αt α dif = α R α dif...diferenciální bobtnání [%/%] α Tmax...maximální bobtnání ve směru tangenciálním [%] α Rmax...maximální bobtnání ve směru radiálním [%] Výpočet MNBS a koeficientu bobtnání Pro tento výpočet bylo nejprve nutné zjistit konvekční hustotu dřeva ρ k. Taková hustota ze zjišťuje u vzorků, které již dosáhly maximálního objemu. Je to hranice při níž vzorky dosáhly vlhkosti MNBS a za níž je objem vzorku považován za konstantní. Tohoto bodu dosáhly vzorky v každé z kapalin po různě dlouhé době máčení. konvekční hustota dřeva ρ k = m 0 V MAX ρ k...konvekční hustota dřeva [kg m -3 ] m 0...hmotnost absolutně suchého dřeva [kg] V MAX...Maximální objem dřeva [m 3 ] 26
mez nasycení buněčných stěn (MNBS) 1 1 MNBS = ƒ ka ρk ρ0 ( ρ ) = ρ 100 MNBS...mez nasycení buněčných stěn [%] ρ k...konvekční hustota dřeva [kg m 3 ] ρ 0...hustota absolutně suchého dřeva [kg m 3 ] ρ ka...hustota kapaliny [kg m 3 ] koeficient bobtnání dřeva K α = i α i MAX MNBS K αi...koeficient bobtnání (V, R, T, L) [%/%] α i MAX...maximální bobtnání (V, R, T, L) [%] MNBS... mez nasycení buněčných stěn [%] Všechny vypočtené hodnoty byly dále zpracovány ve statistickém programu Statsoft Statistika a výsledky následně vyneseny do grafů a tabulek. 27
3.2 Zjišťování rychlosti bobtnání 3.2.1 Materiál Pro tuto zkoušku byly použity dubové vzorky o rozměrech 20 20 5 mm ± 0,5 mm (ve směrech R T L). Vzorky neobsahovaly žádnou dřeň, trhliny, suky, nebo jiné viditelné vady. Tělíska byla bez obsahu běle. Jednotlivé plochy všech tělísek byly řádně opracovány a byly vzájemně kolmé. Odklon vláken u všech tělísek byl menší než 10. Pro zkoušku bylo vybráno 15 vzorků (pro každou kapalinu 5). 3.2.2 Zařízení a pomůcky Formátovací pila Dendrometr Konvekční sušárna Digitální váha Scaltec SBC 41 Stopky Kádinka Stojánek Závěsná jehla Filtrační papír Počítač Ochranné prostředky (ochranné brýle, plášť, rukavice) 3.2.3 Metodika Při určování metodiky pro měření rychlosti bobtnání bylo vycházeno z metody vytláčení vody podle Olesena (The water displacement method). Nejprve bylo u všech vzorků změřeno zastoupení jarního a letního dřeva pomocí měřicího stolu TimeTable v dendrochronologické laboratoři Lesnické a dřevařské fakulty. Následně byla tělíska sušena v sušárně při teplotě 103 C do absolutně suchého stavu (cca 4 hodiny). Po vysušení, aby neovlivnila vysoká teplota vzorků rychlost bobtnání, se vzorky nechaly zchladnout v polypropylenové folii bez přístupu vzduchu. Po zchladnutí byl vždy jeden vzorek vytažen z folie a napíchnut na závěsnou jehlu. Na váhu byla umístěna kádinka naplněná vždy jednou z používaných kapalin (etanol, 28
glycerin, voda). Na váhy (mimo měřící kotouč) byl uložen stojánek tak, aby jeho rameno zasahovalo nad kádinku. Potom byla na tento stojánek zavěšena jehla s napíchnutým vzorkem, a to tak aby byl vzorek celý ponořen těsně pod hladinou (Obr. 8). Těsně před ponořením vzoru do kapaliny se váha musela vynulovat. Po ustálení byla odečtena hodnota z displeje, která určovala objem vzorku za sucha (u glycerinu a etanolu musel být objem zjištěn ještě přepočtem pomocí jejich hustoty). Obr. 8: Měření rychlosti bobtnání Aby byly eliminovány vlivy odpařování kapaliny, u glycerinu zvyšování hmotnosti v důsledku vázání vzdušné vlhkosti a ubývání kapaliny přijímané vzorkem, bylo nutné vždy před dalším měřením vzorek vytáhnout, osušit filtračním papírem, vynulovat váhy a opět vložit vzorek do kapaliny. Teprve potom bylo možné odečítat další hodnotu. Takto se postupovalo v pravidelných časových intervalech u vody a etanolu po 3 min. a u glycerinu po 5,5 min. U glycerinu, byl použit delší interval měření, protože vzhledem k jeho vlastnostem, byla předpokládána menší rychlost bobtnání. Dalším důvodem bylo poměrně pracné a zdlouhavé otírání vzorků od glycerinu. Měření se provádělo do té doby dokud se naměřené hodnoty nepřestaly měnit, tzn. že se objem vzorku dále nezvyšoval. Naměřené hodnoty (hmotnosti vytlačené kapaliny) bylo potřeba nejprve přepočítat na objem který se rovnal objemu ponořeného vzorku: V = m ρ k V...objem vzorku [cm 3 ] m...hmotnost vytlačené kapaliny [g] ρ k...hustota kapaliny [g cm -3 ] 29
Z každé takto získané hodnoty byla vypočítána míra bobtnání v každé fázi měření pomocí vzorce: α Vi = V wi V V 0 0 100 α Vi...objemové bobtnání [%] V 0...objem vzorku za sucha [cm 3 ] V wi...objem vzorku za vlhka [cm 3 ] i...pořadová číslo měření Všechny vypočtené hodnoty byly dále zpracovány ve statistickém programu Statsoft Statistika a výsledky následně vyneseny do grafů a tabulek. 30
4 Výsledky 4.1 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu ve vybraných tekutinách Průměrná hustota dřeva všech tělísek v absolutně suchém stavu, použitých k určení maximálního bobtnání a nasáklivosti ve vodě, etanolu a glycerinu (tzn. 180 ks) byla 641,15 kg m -3 (Obr. 9). Variační koeficient měl hodnotu 6,94 %, což vypovídá o malé variabilitě hustoty dřeva u použitých tělísek. 800 750 700 ρ 0 [kg m -3 ] 650 600 550 500 450 180 vzorků 25%-75% Rozsah neodleh. Odlehlé Obr. 9: Hustota dřeva dubu v absolutně suchém stavu 4.1.1 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu ve vodě V tabulce č. 6 jsou uvedeny naměřené a vypočítané hodnoty tělísek v absolutně suchém stavu, které byly po změření uloženy do vody. V tabulce č. 7 jsou uvedeny naměřené maximální hodnoty rozměrů a hmotností tělísek. Maximálního nabobtnání dosáhla tělíska po 9-ti dnech a maximální vlhkosti přibližně po 75-ti dnech máčení (Obr. 10). V tabulce č. 8 jsou uvedeny hodnoty maximální vlhkosti, celkového bobtnání tělísek a v tabulce č. 9 pak jejich koeficienty včetně hodnot diferenciálního bobtnání. K měření bylo použito 60 dubových tělísek. 31
Hodnoty Rozměry vzorků m 0 V 0 šířka R směr T směr L [kg] [m 3 ] [mm] [mm] [mm] ρ 0 [kg m -3 ] Aritmetický průměr 19,07 18,24 30,04 6,73 10-3 10,44 10-6 644,83 Medián 19,09 18,20 30,05 6,88 10-3 10,43 10-6 661,33 Minimum 18,66 17,78 29,53 5,76 10-3 10,14 10-6 534,15 Maximum 19,35 18,91 30,70 7,40 10-3 0,87 10-6 718,86 Směrodatná odchylka 0,15 0,23 0,19 0,45 10-3 0,16 10-6 50,17 Variační koeficient 0,77 1,24 0,65 6,81 1,61 7,78 Tab. 6: Hodnoty dubových tělísek v absolutně suchém stavu určených pro máčení ve vodě Hodnoty Rozměry vzorků m max V max šířka R směr T směr L [kg] [m 3 ] [mm] [mm] [mm] ρ max [kg m -3 ] Aritmetický průměr 20,03 19,86 30,16 13,81 10-3 12,00 10-6 1150,68 Medián 20,02 19,89 30,15 13,87 10-3 12,00 10-6 1159,24 Minimum 19,75 19,26 29,88 12,62 10-3 11,58 10-6 1048,53 Maximum 20,41 20,20 30,78 14,58 10-3 12,37 10-6 1196,58 Směrodatná odchylka 0,15 0,18 0,16 0,41 10-3 0,15 10-6 36,36 Variační koeficient 0,75 0,92 0,56 3,03 1,28 3,16 Tab. 7: Hodnoty maximálně nabobtnaných dubových tělísek máčených ve vodě a jejich maximální hustoty Hodnoty ρ k w max [%] MNBS [%] α V α R α T α L [%] [kg m -3 ] [%] [%] [%] Aritmetický průměr 560,97 105,82 23,14 14,89 5,03 9,05 0,46 Medián 577,73 102,46 23,65 14,71 5,02 9,19 0,30 Minimum 470,56 86,48 14,56 8,00 3,44 5,61-0,46 Maximum 638,87 140,62 28,80 19,53 7,22 11,59 2,51 Směrodatná odchylka 40,09 10,89 2,48 1,99 0,83 1,20 0,50 Variační koeficient 7,14 10,29 10,75 13,37 16,57 13,25 108,99 Tab. 8: Hodnoty celkového bobtnání a maximální vlhkost dubových tělísek máčených ve vodě Hodnoty Kα V Kα R Kα T Kα L α dif Aritmetický průměr 0,64 0,22 0,40 0,02 1,84 Medián 0,66 0,22 0,39 0,01 1,80 Minimum 0,34 0,16 0,26-0,02 1,00 Maximum 1,14 0,30 0,80 0,10 2,79 Směrodatná odchylka 0,09 0,03 0,07 0,02 0,37 Variační koeficient 14,26 14,89 17,94 103,14 20,02 Tab. 9: Hodnoty koeficientů bobtnání a diferenciálního bobtnání dřeva dubu ve vodě 32
V následujícím grafu (Obr. 10) jsou vyneseny průměrné změny vlhkosti dřeva dubu při máčení ve vodě, zjištěné kontrolním měřením 5-ti vzorků. Z grafu je patrné, že v prvních 5-ti dnech byl nárůst vlhkosti velmi rychlý a byla přijata většina vody (více jak ⅔) z celkem přijatého množství vody. 120 100 80 w [%] 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 čas [den] Průměr Obr. 10: Průměrný nárůst vlhkosti dřeva dubu ve vodě 4.1.2 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu v etanolu V tabulce č. 10 jsou uvedeny naměřené a vypočítané hodnoty tělísek v absolutně suchém stavu, které byly po změření uloženy do etanolu. V tabulce č. 11 jsou uvedeny naměřené maximální hodnoty rozměrů a hmotností tělísek. Maximálního nabobtnání dosáhla tělíska po 20-ti dnech a maximální vlhkosti přibližně po 86 dnech máčení. V tabulce č. 12 jsou uvedeny hodnoty maximální vlhkosti, celkového bobtnání tělísek a v tabulce č. 13 pak jejich koeficienty včetně hodnot diferenciálního bobtnání. K měření bylo použito 60-ti dubových tělísek. 33
Hodnoty Rozměry vzorků m 0 V 0 šířka R směr T směr L [kg] [m 3 ] [mm] [mm] [mm] ρ 0 [kg m -3 ] Aritmetický průměr 19,04 18,26 30,05 6,67 10-3 10,448 10-6 639,42 Medián 19,07 18,27 30,05 6,66 10-3 10,441 10-6 636,67 Minimum 18,54 17,70 29,70 5,91 10-3 10,188 10-6 556,12 Maximum 19,25 18,81 30,35 7,65 10-3 10,877 10-6 750,71 Směrodatná odchylka 0,15 0,22 0,10 0,35 10-3 0,152 10-6 39,13 Variační koeficient 0,80 1,21 0,33 5,26 1,45 6,12 Tab. 10: Hodnoty dubových tělísek v absolutně suchém stavu určených pro máčení v etanolu Hodnoty Rozměry vzorků m max V max šířka R směr T směr L [kg] [m 3 ] [mm] [mm] [mm] ρ max [kg m -3 ] Aritmetický průměr 19,67 19,48 30,09 12,08 10-3 11,53 10-6 1048,03 Medián 19,67 19,53 30,10 12,14 10-3 11,54 10-6 1049,63 Minimum 19,24 18,87 29,75 11,57 10-3 11,13 10-6 993,06 Maximum 19,91 19,74 30,46 12,57 10-3 11,80 10-6 1102,15 Směrodatná odchylka 0,14 0,20 0,10 0,26 10-3 0,15 10-6 25,60 Variační koeficient 0,71 1,02 0,33 2,19 1,29 2,44 Tab. 11: Hodnoty maximálně nabobtnaných dubových tělísek máčených v etanolu a jejich maximální hustoty Hodnoty ρ k w max [%] MNBS [%] α V α R α T α L [%] [kg m -3 ] [%] [%] [%] Aritmetický průměr 579,39 103,19 12,81 10,36 3,34 6,65 0,14 Medián 577,36 105,72 12,89 10,34 3,26 6,58 0,13 Minimum 511,60 78,37 10,32 8,20 2,20 4,94-0,20 Maximum 681,05 121,38 16,68 14,01 5,66 9,04 0,54 Směrodatná odchylka 34,68 10,02 1,44 1,14 0,61 0,83 0,15 Variační koeficient 5,98 9,71 11,26 10,98 18,34 12,46 106,00 Tab. 12: Hodnoty celkového bobtnání a maximální vlhkost dubových tělísek máčených v etanolu Hodnoty Kα V Kα R Kα T Kα L α dif Aritmetický průměr 0,81 0,26 0,52 0,01 2,05 Medián 0,81 0,26 0,53 0,01 1,98 Minimum 0,70 0,18 0,39-0,01 1,15 Maximum 0,95 0,36 0,63 0,03 3,29 Směrodatná odchylka 0,05 0,03 0,05 0,01 0,42 Variační koeficient 6,12 14,50 9,77 107,18 20,76 Tab. 13: Hodnoty koeficientů bobtnání a diferenciálního bobtnání dřeva dubu v etanolu V následujícím grafu (Obr. 11) jsou vyneseny průměrné změny vlhkosti dubu při máčení v etanolu, zjištěné kontrolním měřením 5 vzorků. Z grafu je patrné, že nárůst 34
vlhkosti v prvních 5 dnech nebyl tak rychlý jako u vody (bylo přijato méně než ½ z celkem přijatého množství etanolu), ale celkový průběh byl více kultivovanější. 120 100 80 w [%] 60 40 20 0 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 čas [den] Průměr Obr. 11: Průměrný nárůst vlhkosti dřeva dubu v etanolu 4.1.3 Bobtnání a nasáklivost dřeva dubu v glycerinu V tabulce č. 14 jsou uvedeny naměřené a vypočítané hodnoty tělísek v absolutně suchém stavu, které byly po změření uloženy do glycerinu. V další tabulce (Tab. 15) jsou uvedeny naměřené maximální hodnoty rozměrů a hmotností tělísek. Maximálního nabobtnání dosáhla tělíska po 18-ti dnech a maximální vlhkosti přibližně po 65-ti dnech máčení. V tabulce č. 16 jsou uvedeny hodnoty maximální vlhkosti, celkového bobtnání tělísek a v tabulce č. 17 pak jejich koeficienty včetně hodnot diferenciálního bobtnání. K měření bylo použito 60-ti dubových tělísek. Hodnoty Rozměry vzorků m 0 V 0 šířka R směr T směr L [kg] [m 3 ] [mm] [mm] [mm] ρ 0 [kg m -3 ] Aritmetický průměr 19,08 18,24 30,09 6,68 10-3 10,46 10-6 639,21 Medián 19,10 18,25 30,11 6,71 10-3 10,45 10-6 642,82 Minimum 18,65 17,86 29,68 5,32 10-3 10,20 10-6 505,31 Maximum 19,42 18,85 30,41 7,76 10-3 10,84 10-6 750,46 Směrodatná odchylka 0,15 0,23 0,13 0,42 10-3 0,15 10-6 44,16 Variační koeficient 0,79 1,24 0,42 6,35 1,46 6,91 Tab. 14: Hodnoty dubových tělísek v absolutně suchém stavu určených pro máčení v glycerinu 35
Hodnoty Rozměry vzorků m max V max šířka R směr T směr L [kg] [m 3 ] [mm] [mm] [mm] ρ max [kg m -3 ] Aritmetický průměr 19,07 18,27 30,07 8,26 10-3 10,48 10-6 788,69 Medián 19,08 18,28 30,08 8,23 10-3 10,48 10-6 789,33 Minimum 18,68 17,89 29,7 7,33 10-3 10,21 10-6 694,82 Maximum 19,51 19,04 30,29 9,68 10-3 10,81 10-6 905,61 Směrodatná odchylka 0,15 0,23 0,11 0,45 10-3 0,14 10-6 45,38 Variační koeficient 0,80 1,30 0,38 5,47 1,40 5,75 Tab. 15: Hodnoty maximálně nabobtnaných dubových tělísek máčených v glycerinu a jejich maximální hustoty Hodnoty ρ k w max [%] MNBS [%] α V α R α T α L [%] [kg m -3 ] [%] [%] [%] Aritmetický průměr 638,39 18,87 0,28 0,13 0,00 0,18-0,04 Medián 641,64 16,99 0,27 0,14 0,05 0,16-0,03 Minimum 500,03 12,06-6,85-3,40-1,77-1,82-0,69 Maximum 747,54 40,42 5,76 2,67 0,78 2,72 0,26 Směrodatná odchylka 44,54 4,63 1,78 0,86 0,34 0,56 0,17 Variační koeficient 6,97 24,53 635,18 628,12-7228,62 302,43-362,77 Tab. 16: Hodnoty celkového bobtnání a maximální vlhkost dubových tělísek máčených v glycerinu Hodnoty Kα V Kα R Kα T Kα L α dif Aritmetický průměr 0,50 0,14 0,31 0,033 0,69 Medián 0,51 0,16 0,33 0,00 1,04 Minimum 0,40-7,97-7,99-0,96-34,85 Maximum 0,59 7,76 8,47 2,94 11,59 Směrodatná odchylka 0,03 1,55 1,59 0,48 6,08 Variační koeficient 6,90 1092,08 497,74 1427,71 871,69 Tab. 17: Hodnoty koeficientů bobtnání a diferenciálního bobtnání dřeva dubu v glycerinu Stejně jako u předešlých tekutin, byly měřením 5-ti kontrolních vzorků zjištěny průměrné změny vlhkosti dubu při máčení v etanolu (Obr. 12). Z vyneseného grafu je patrné, že nárůst vlhkosti vzhledem k maximálně přijaté vlhkosti byl v prvních 5-ti dnech opět velmi rychlý (přibližně ⅔ maximální vlhkosti) podobně jako u vody. Průběh vývoje hmotnosti vykazoval (přibližně po dosažení maximálního objemu) velmi nečekaný pokles hmotnosti. Jediným nabízejícím se vysvětlením je, že po dosažení určité vlhkosti došlo k intenzivnímu vyluhování některých látek ze dřeva. Jelikož od tohoto momentu byl nárůst hmotnosti již velmi pomalý, mohlo vyluhování látek působit větší (opačné) změny hmotnosti. Jiné vysvětlení nebylo zjištěno. 36
20 16 12 w [%] 8 4 0 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 čas [den] Obr. 12: Průměrný nárůst vlhkosti dřeva dubu v glycerinu Průměr 4.2 Rychlost bobtnání dubu ve vybraných kapalinách K měření byly použity dvě skupiny dubových tělísek. V první skupině obsahovaly tělíska 4 letokruhy a zastoupení jarního dřeva se pohybovalo od 15,9 do 19,9 %. V druhé skupině tělíska obsahovaly 13 až 15 letokruhů a zastoupení jarního dřeva bylo od 38,6 do 46,2 %. Z obou skupin byly při měření použity pro každou kapalinu alespoň 2 vzorky. Měření bylo prováděno při pokojové teplotě (23±1 C). Z výsledků měření nebyla zjištěna žádná jednoznačná závislost mezi šířkou letokruhů a rychlostí bobtnání nebo maximálním bobtnáním a ani mezi poměrem jarního dřeva v letokruhu a rychlostí bobtnání nebo maximálním bobtnáním. 4.2.1 Rychlost bobtnání dubu ve vodě V grafu (Obr. 13) je vynesen průměrný průběh objemového bobtnání dubu ve vodě. K měření bylo použito 5 vzorků o rozměrech 20 20 5 mm. Měření se provádělo v intervalech po 3 minutách. Maximální průměrné objemové bobtnání bylo zjištěno 14,32 % a bylo dosaženo přibližně za 48 minut. 37
20 18 16 14 12 α V [%] 10 8 6 4 2 0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 Průměr Průměr±0,95 Int. spolehl. čas [min] Obr. 13: Průběh objemového bobtnání dřeva dubu ve vodě Zjištěné průměrné hodnoty objemového bobtnání dubu ve vodě byly proloženy přímkou a to v intervalu měření od 6 do 45 minuty, kde rychlost bobtnání vykazovala téměř lineární průběh. Z grafu (Obr. 14) pak vyplývá, že rychlost objemového bobtnání je 0,148 % min -1. 15 14 y = 7,7529+0,1484*x Korelační koeficient: 0,99 13 α V [%] 12 11 10 9 8 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 čas [min] Obr. 14: Rychlost objemového bobtnání dřeva dubu ve vodě 38
4.2.2 Rychlost bobtnání dubu v etanolu Obr. 15V grafu (Obr. 15) je vynesen průměrný průběh objemového bobtnání dubu v etanolu. K měření bylo použito 5 vzorků o rozměrech 20 20 5 mm a interval měření byl vždy po 3 minutách. Maximální průměrné objemové bobtnání bylo zjištěno 9,1 % a bylo dosaženo přibližně za 72 minut. 16 14 12 10 α V [%] 8 6 4 2 0 Průměr 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 Průměr±0,95 Int. spolehl. čas [min] Obr. 15: Průběh objemového bobtnání dřeva dubu v etanolu Po proložení intervalu od 6 do 72 minuty přímkou (Obr. 16), byla zjištěna rychlost objemového bobtnání v etanolu 0,054 % min -1. Tento interval vykazoval lineární průběh. 39
10 9 y = 5,4857+0,0541*x Korelační koeficient: 0,98 α V [%] 8 7 6 5 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 čas [min] Obr. 16: Rychlost objemového bobtnání dřeva dubu v etanolu 4.2.3 Rychlost bobtnání dubu v glycerinu Obr. 17V grafu (Obr. 17) je vynesen průměrný průběh objemového bobtnání dubu v glycerinu. Celkem bylo měření provedeno u 7 vzorků o rozměrech 20 20 5 mm. Interval měření byl zvolen 5,5 minut. Jelikož měření stejným způsobem jako u předešlých kapalin (vytahování vzorků z kapaliny a jejich otírání) se ukázalo jako nepřesné s velkými chybami měření, způsobenými vlastnostmi glycerinu (viskozita), bylo přistoupeno k měření bez vytahování ponořených vzorků a jejich otírání tzn. bez nulování váhy. Proto musely být současně měřeny změny hmotnosti u samotného glycerinu (glycerin zvyšuje svoji hmotnost v důsledku přijímání vzdušné vlhkosti) v kádince se stejným průměrem (stejná plocha hladiny), které byly následně odečteny od naměřených hodnot při bobtnání vzorků. Nicméně vliv přijímání glycerinu vzorkem zůstal zanedbán. Glycerin vykazoval jen velmi malé objemové bobtnání, proto chyby měření mohly dosahovat vyšších hodnot než samotné změny objemu vzorku v jednotlivých intervalech měření. A proto byly ze 7 změřených vzorků pro další zpracování vybrány pouze 4, které vykazovaly nejkultivovanější průběh. 40
Maximální průměrné objemové bobtnání bylo u těchto 4 vzorků zjištěno 0,54 % a bylo dosaženo po 95 minutách máčení. 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 α V [%] 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0 Průměr 0,0 11,0 22,0 33,0 44,0 55,0 66,0 77,0 88,0 99,0 5,5 16,5 27,5 38,5 49,5 60,5 71,5 82,5 93,5 Průměr±0,95 Int. spolehl. čas[min] Obr. 17: Průběh objemového bobtnání dřeva dubu v glycerinu Díky malému bobtnání dubu v glycerinu a obtížnosti jej přesně změřit se nepodařilo zachytit rovnoměrný průběh bobtnání, nicméně trend nárůstu objemu byl zaznamenán (Obr. 18). V intervalu od 11 do 93,5 minuty byla zjištěna rychlost bobtnání 0,0009 % min -1. 41