4. Wybrane biomateriały o strukturze porowatej
4.1 Struktura i właściwości drewna
4.1.1 Makroskopowa budowa drewna
W budowie pnia możemy wyróżnić następujące części składowe:
1. rdzeń 2. drewno
3. promienie rdzeniowe 4. przewody żywiczne 5. miazga
6. kora
Rys. 8 Schemat budowy pnia 4-letniej sosny [67]; 1– łyko; 2 – miazga; 3 – przewód żywiczny; 4 – promień rdzeniowy na przekroju poprzecznym, promieniowym i stycznym; 5 – granica słoju rocznego, 6 – rdzeń; 7 – kora; 8 – drewno późne; 9 – drewno wczesne; 10 – słój roczny. Przewody żywiczne, miazga i promienie
rdzeniowe niewidoczne gołym okiem
Rdzeń jest fizjologiczną osią pnia, najczęściej nie pokrywającą się z osią geometryczną. W przekroju poprzecznym pnia występuje jako mała, ciemniejsza od otaczającego drewna zabarwiona plama. Często jest mimośrodowo przesunięty w kierunku
obwodu pnia, co powoduje nierównomierną słoistość i niejednolitą strukturę drewna.
Średnica rdzenia osiąga rozmiary od 1-5 mm (w niektórych gatunkach do 10mm). Kształt najczęściej okrągły lub owalny, ale spotyka się także inne: u olchy trójkątny, u jesionu czworokątny, u topoli pięciokątny, u dębu gwiaździsty. Pod względem wytrzymałościowym rdzeń jest elementem mechanicznie słabym i często usuwa się go w czasie obróbki.[67]
Drewno znajduje się pomiędzy rdzeniem znajdującym się w środku pnia, a warstwą łyka i kory na obwodzie i ilościowo stanowi największą część objętości pnia. Biologiczne pochodzenie drewna determinuje jego nierównomierną budowę. Wygląd, cechy fizyczne i wytrzymałość zmieniają się zależnie od kierunku anatomicznego (kierunek wzdłuż włókien, promieniowy i styczny). Jest to zatem niejednorodny, anizotropowy materiał, co dodatkowo utrudnia obróbkę i jego techniczne zastosowanie.
Zróżnicowana budowa drewna pozwala rozróżnić w nim trzy zasadnicze przekroje:
− wzdłuż włókien
− w poprzek włókien promieniowo
− w poprzek włókien stycznie.
Przekroje różnią się układem słoi oraz mają inny rysunek drewna. Na przekroju poprzecznym uwydatniają się słoje roczne ułożone współśrodkowo dookoła rdzenia oraz promienisto ustawione promienie rdzeniowe. Na przekroju stycznym słoje roczne występują w postaci hiperbolicznych smug. Przecięte poprzecznie promienie rdzeniowe uwydatniają się w postaci licznie występujących, eliptycznych plam. W miarę zbliżania się do osi pnia przekrój styczny upodabnia się do przekroju promieniowego. W momencie kiedy cięciwa przez którą przechodzi przekrój pokryje się ze średnicą pnia, przekrój styczny pokryje się z przekrojem promieniowym. [67]
Elementy drewna przewodzące wodę są oddzielone od części sitowej przewodzącej asymilaty zamkniętym pierścieniem miazgi. Miazga przez całe życie zachowuje zdolność podziału, która umożliwia wytwarzanie drewna i łyka. Podział miazgi powoduje przyrost drzewa na grubość przez wytwarzanie współśrodkowych kręgów dookoła rdzenia zwanych słojami rocznymi. Służą one później do szacunkowego określania wieku drzewa. Zdarza się jednak, że na skutek warunków klimatycznych (pogodowych- wiosenne przymrozki) lub z powodu działania szkodników drzewo traci liście w czasie okresu wegetacyjnego dwa razy.
Powoduje to powstanie w ciągu jednego roku dwóch słoi. Innym zjawiskiem jest zanikanie słojów występujące, gdy wskutek niepomyślnych warunków egzystencji w danym roku nie wystarcza materiałów na wytworzenie pełnego słoju. Drzewo wytwarza wtedy słój tylko w górnych częściach, w dolnej zaś części słój zanika.
Szerokość słojów zmienia się w granicach od ułamków milimetra do ponad 2cm i jest uzależniona od wielu czynników takich jak gatunek drzewa, warunki klimatyczne (średnia temperatura roczna – długość okresu wegetacyjnego, nasłonecznienie, nasilenie opadów atmosferycznych w ciągu okresu wegetacyjnego), warunki glebowe, gęstość zalesienia. Z technicznego punktu widzenia najbardziej pożądane jest drewno o równomiernym przebiegu i układzie słojów, a więc o słojach, których szerokość stopniowo i równomiernie maleje w miarę posuwania się od rdzenia ku obwodowi i których zarys jest jak najbardziej zbliżony do koła. Falisty przebieg słojów rocznych i ich nierównomierna szerokość jest cechą pozytywną tylko w przypadku niektórych gatunków drzew wykorzystywanych jako materiał rezonansowy do budowy instrumentów muzycznych.
W budowie słoja rocznego wyróżnia się dwie strefy. Pierwszą zwróconą w kierunku rdzenia strefę drewna wczesnego oraz drugą, zwróconą ku obwodowi strefę drewna późnego.
Drewno wczesne składa się z elementów cienkościennych o dużym świetle. Szczególnie wyraźnie uwydatnia się porowata strefa drewna wczesnego u pierścieniowo naczyniowych gatunków liściastych. W drewnie późnym światło naczyń i cewek zmniejsza się wydatnie, a drewno składa się z elementów wybitnie grubościennych. Grubościenne drewno późne ma więc większy ciężar właściwy i jest bardziej wytrzymałe niż drewno wczesne. Im większy zatem jest udział drewna późnego w drewnie, tym wyższe są jego ciężar właściwy i jego własności mechaniczne. W przypadku drzew iglastych udział drewna wczesnego jest większy, natomiast u pierścieniowo naczyniowych gatunków liściastych sytuacja jest odwrotna.
Wiele gatunków drzew wykazuje po ścięciu (na przekroju poprzecznym) różnorodne zabarwienie. Wewnętrzna część będąca ciemniej zabarwiona nosi nazwę twardzieli, natomiast obwodowa jaśniejsza część jest to biel.
Twardziel nie zawiera żywych komórek. Na skutek wytworzenia wcistek (u drzew liściastych) lub zamknięcia jamek (u drzew iglastych) oraz przesycenia związkami twardzielowymi (związki żywiczne, garbniki i barwniki) nie bierze udziału w procesach przewodzenia wody i w gromadzeniu materiałów odżywczych. Twardziel obejmuje warstwy drewna zbudowane z obumarłych, martwych elementów. Spełnia wyłącznie funkcje mechaniczne, nie bierze udziału w fizjologicznych funkcjach drzewa. Pojawia się dopiero po przekroczeniu pewnej granicy wieku, dla sosny jest to 20-70 lat.
Rys. 9 Przekrój poprzeczny drewna podłuż
Biel jest jaśniejszą
fizjologiczne i mechaniczne. Gromadzi materiały od przewodzi wodę z solami mineralnymi z korzeni do w zależności od gatunku i wieku drzewa. U cisa jest to 3 rocznych.
Zarówno biel jak i twardziel spełniaj
budowa jest przyczyną odmiennych cech technologic w zastosowaniu drewna. Drewno twardzielowe po właściwości mechaniczne. Ró
natomiast w zakresie trwało
kilkunastu lat, podczas gdy drewno bielu rozkłada si kształtuje się odwrotnie w przypadku sztucznego utrwalania
w przepuszczalności bielu i twardzieli. Przy nasycaniu (impregnowaniu) drewna biel nasyca się bez trudności, twardziel natomiast nie przyjmuj
w niewielkiej ilości. [67]
4.1.2 Właściwości mechaniczne i fizyczne drewna Istotny wpływ na wła
wewnętrznej struktury, ze szczególnym uwzgl wielkości. Cechy te bierze si
W związku z powyższym wyszczególni
Przekrój poprzeczny drewna świerka. Widoczne drewno wczesne i późne, granice słojów rocznych oraz podłużne przewody żywiczne. Powiększenie 80:1 [67]
śniejszą częścią o znacznie większej zawartości wody.
fizjologiczne i mechaniczne. Gromadzi materiały odżywcze w komórkach mi
z solami mineralnymi z korzeni do korony. Zajmuje obszar ró ci od gatunku i wieku drzewa. U cisa jest to 3-5 słojów, u sosny
Zarówno biel jak i twardziel spełniają różne funkcje w drzewie a ich odmienna ą odmiennych cech technologicznych, co znajduje swój wyraz zastosowaniu drewna. Drewno twardzielowe posiada większy ciężar wła
ci mechaniczne. Różnice te są jednak niewielkie. O wiele wię natomiast w zakresie trwałości drewna. Twardziel ma trwałość się
kilkunastu lat, podczas gdy drewno bielu rozkłada się w ciągu trzech lat.
odwrotnie w przypadku sztucznego utrwalania. Spowodowane jest to ró ści bielu i twardzieli. Przy nasycaniu (impregnowaniu) drewna biel nasyca ci, twardziel natomiast nie przyjmuje impregnatów
ś ści mechaniczne i fizyczne drewna
Istotny wpływ na właściwości mechaniczne i fizyczne drewna maj trznej struktury, ze szczególnym uwzględnieniem rozmieszczenia naczy
ci. Cechy te bierze się pod uwagę również podczas określania gatunków drewna.
ższym wyszczególnić można dwie zasadnicze grupy drzew:
źne, granice słojów rocznych oraz
ści wody. Spełnia funkcje ywcze w komórkach miękiszowych oraz korony. Zajmuje obszar różny 5 słojów, u sosny do 80 słojów
ne funkcje w drzewie a ich odmienna znych, co znajduje swój wyraz ężar właściwy i wyższe jednak niewielkie. O wiele większe różnice istnieją ść sięgającą od kilku do ągu trzech lat. Trwałość ta . Spowodowane jest to różnicą ci bielu i twardzieli. Przy nasycaniu (impregnowaniu) drewna biel nasyca e impregnatów lub wchłania je
ci mechaniczne i fizyczne drewna mają cechy budowy dnieniem rozmieszczenia naczyń oraz ich ślania gatunków drewna.
na dwie zasadnicze grupy drzew:
− Drzewa pierścieniowo naczyniowe, tworzące w strefie drewna wczesnego charakterystyczne pierścienie. Widoczna jest wyraźnie zarysowana i zmieniająca się gwałtownie różnica w wielkości naczyń drewna wczesnego i późnego.
− Drzewa rozpierzchłonaczyniowe charakteryzujące się tym, że widoczne gołym okiem naczynia rozmieszczone są stosunkowo równomiernie na szerokości słoju.
Zmniejszanie się średnicy od większych naczyń w drewnie wczesnym do najmniejszych w drewnie późnym przebiega stopniowo i powoli.
Pierścieniowe rozmieszczenie naczyń o dużym świetle w drewnie wczesnym tworzy przestrzenie o mniejszej wytrzymałości, stąd drewno takich drzew jak dębu, jesionu, czy wiązu posiada niższe właściwości mechaniczne w porównaniu z drewnem gatunków rozpierzchłonaczyniowych czyli brzozy, buku, grabu, gruszy, lipy, olchy czy topoli. Naczynia mają tu stosunkowo jednolite światło oraz są równomiernie wymieszane z elementami włóknistymi.
W zastosowaniach technicznych drewna istotną rolę odgrywa znajomość czynników ilościowych tj. wymiarów elementów składowych oraz ich objętościowego udziału w drewnie.
Rys. 10 Schemat budowy drewna brzozy (drewno rozpierzchłonaczyniowe) [67]
1 – słój roczny, 2 – naczynia, 3 – promień rdzeniowy, 4 – włókna drzewne
Rys. 11 Schemat budowy sosny [67] ;
1 – słój roczny, 2 – promienie rdzeniowe, 3 – podłużny przewód żywiczny, 4 – drewno (cewki) wczesne, 5 – drewno późne
Rys. 12 Schemat budowy drewna dębu (drewno pierścieniowo naczyniowe)[67]
1 – słój roczny, 2 – duże naczynie w drewnie wczesnym, 3 – małe naczynie w drewnie późnym, 4 – wąski promień rdzeniowy, 5 –szeroki promień rdzeniowy, 6 – włókna drzewne
Poprzez pojęcie właściwości mechanicznych rozumiemy zdolność materiału do przeciwstawiania się działaniu sił zewnętrznych. Istotnym jest więc poznanie tych
właściwości jeżeli chcemy wiedzieć jak zachowa się materiał pod określonym obciążeniem.
W przypadku drewna zadanie to jest trudne. Jest to materiał o złożonych właściwościach bio-chemicznych, niejednorodny, którego budowa struktury wewnętrznej charakteryzuje się porowatością i anizotropią.
Moduł sprężystości jest miarą sztywności danego materiału. W zakresie odkształceń liniowo sprężystych zachodzi zależność opisana prawem Hooke'a.
Moduł Younga zależy w dużej mierze od dwóch wartości, którymi są sztywność wiązań międzycząsteczkowych i liczba wiązań w danej jednostce objętości co przekłada się praktycznie na wielkość atomu. Można przez to moduł sprężystości wyrazić wzorem
ro
Moduł sprężystości przyjmuje szeroki zakres wartości. Im materiał bardziej podatny na odkształcenia tym niższą wartość ma moduł Younga. Wiąże się to bezpośrednio ze sztywnością wiązania wynoszącego dla polimerów S=0,5-2 N/m, a dla diamentu S=200N/m.
Tab. 1 Moduł sprężystości drewna według Tetmajera [152, 67]
Gatunek
Dla drewna wartości modułu sprężystości wahają się w zakresie od 11000 MPa (np.
drewno jodłowe lub świerkowe) do 18000 MPa (buk). Moduły dla kilku gatunków drewna przedstawione zostały w tabeli.
W praktyce przyjmuje się moduł sprężystości drewna na poziomie ok 10 000 MPa, co jest wystarczające dla wielu obliczeń wytrzymałościowych. Duże wartości współczynników bezpieczeństwa wykluczają w praktyce możliwość pomyłki nawet dla tak ogólnie przyjętej wartości modułu E. Jednakże ścisłe rozważania wymagają zróżnicowania modułu sprężystości chociażby ze względu na różnokierunkową budowę drewna.
Anizotropowość struktury powoduje że moduły sprężystości w kierunku poprzecznym są wielokrotnie mniejsze od modułu sprężystości w kierunku wzdłuż włókien.
Tab. 2 Moduł sprężystości drewna przy ściskaniu (wg Leontiewa)[74, 67]
Gatunek drewna
Moduł sprężystości [MPa]
wzdłuż włókien
w poprzek włókien w kierunku promieniowym stycznym
Brzoza 15800 600 450
Dąb 14000 1290 910
Sosna 11700 620 500
Wytrzymałość na ściskanie
Dla drewna, podobnie jak dla innych materiałów porowatych i anizotropowych, za odniesieniową granicę wytrzymałości przyjmuje się wytrzymałość przy rozciąganiu wzdłuż włókien Rm. Wytrzymałość tą wyznacza się z wykresu rozciągania przyjmując określoną wartość odchylenia od prostoliniowej części krzywej naprężenie – odkształcenie, które występuje po przekroczeniu stanu sprężystego. Odpowiada to odkształceniom trwałym wynoszącym ok. 0,5%.
Z uwagi na specyficzną strukturę włóknistą drewna przyjmuje się, że wytrzymałość na ściskanie jest ok. 30% mniejsza od wytrzymałości na rozciąganie. Jeśli obciążenie materiału nie jest jednoosiowe to jego wytrzymałość wyznacza się ze złożonej funkcji wynikającej z analizy stanu naprężenia. Funkcja ta umożliwia obliczenie naprężenia uplastyczniającego (tj. granicy plastyczności) w funkcji naprężeń działających wzdłuż osi głównych. Wytrzymałość drewna podczas ściskania, podobnie jak moduł sprężystości, zależy od kierunków anatomicznych i jest największa wzdłuż włókien.
Podczas ściskania w poprzek włókien, czyli w kierunku stycznym i promieniowym wytrzymałość drewna jest znacznie mniejsza. W wyniku ściskania poprzecznego w miarę wzrostu obciążenia następuje sprasowanie drewna, nawet do 30% wysokości badanej próbki.
Wytrzymałość drewna na ściskanie stanowi ok. 30-50% jego wytrzymałości na rozciąganie.
W tabeli podano stosunek granicy sprężystości do wytrzymałości na rozciąganie. Stąd można określić granicę sprężystości podczas rozciągania i ściskania. Ponieważ drewno w stanie powietrzno - suchym jest materiałem kruchym o niskich właściwościach plastycznych, można przyjąć, że granica sprężystości jest początkiem trwałych, a więc plastycznych odkształceń.
Tab. 3 Wytrzymałość drewna podczas ściskania podłużnego i poprzecznego (wg Wanina)[27]
Gatunek stycznego promieniowego stycznego promieniowego
Sosna 590 75,3 13,2 6,7 100 17,5 8,9
Dąb 740 76,2 11,7 17,2 100 15,4 22,6
Grab 800 72,4 15,6 25,6 100 21,5 35,2
Buk 600 44,5 10,3 13,5 100 23,1 30,3
Plastyczność jest to własność materiału polegająca na zdolności przyjmowania pod działaniem siły nadawanych mu odkształceń oraz trwałego ich zachowywania. Drewno w normalnym stanie i w normalnych warunkach wykazuje małą plastyczność i zachowuje się jak materiał kruchy. Celem przejściowego zwiększenia plastyczności poddaje się drewno obróbce hydrotermicznej, działając na nie gorącą wodą lub gorącą parą wodną, co powoduje zmiękczenie substancji międzykomórkowej (substancje pektynowe i lignina) i rozluźnienie więzi między komórkami. Ponowne utwardzenie uzyskuje się za pomocą wysuszenia i ostudzenia drewna. [67]
Zwiększenie plastyczności jest równoznaczne z obniżeniem modułu sprężystości.
Plastyczność odgrywa dużą rolę przy łuszczeniu drewna, skrawaniu oklein i przy obróbce drewna gięciem; zwiększenie plastyczności uzyskuje się przez odpowiednio dobraną obróbkę cieplno - wodną. Drewno wygięte przy sztucznie zwiększonej plastyczności po wysuszeniu zachowuje trwale nadane mu kształty[67].
Wilgotność drewna
Pod wpływem warunków zewnętrznych wilgotność drewna ulega zmianom.
W związku z tym wyróżnia się drewno mokre, drewno załadowczo-suche, drewno powietrzno-suche i drewno całkowicie suche [67].
Mianem drewna mokrego określa się drewno zawierające wodę wolną, a więc drewno o wilgotności przekraczającej punkt nasycenia włókien. Wilgotność drewna świeżo ściętego zamyka się zależnie od gatunku drewna, między 50 a 180% wilgotności. Drewno składowane w wodzie ma wilgotność wyższą niż drewno świeżo ścięte [67].
Mianem drewna załadowczo-suchego określa się drewno o wilgotności około 25%.
Drewno mokre traci pod wpływem składowania na powietrzu część wilgoci i dochodzi do stanu powietrzno-suchego, który w naszych warunkach wyraża się wilgotnością 13-20%, zależnie od pory roku i wilgotności względnej otaczającego powietrza przy czym jako wartość przeciętną przyjmuje się wilgotność 15%. Przy suszeniu drewna na powietrzu nie można osiągnąć wilgotności niższej od stanu powietrzno-suchego, a więc niższej niż 13%.
Dalsze obniżenie wilgotności możliwe jest przez sztuczne suszenie [67].
Drewno ogrzewane w suszarkach w temperaturze 100±5oC traci niemal zupełnie wodę osiągając stan niemal całkowicie suchy, któremu odpowiada ciężar drewna całkowicie suchego. Stan całkowicie suchy można osiągnąć i utrzymać tylko w warunkach laboratoryjnych, gdyż drewno suche nawilża się przez wchłanianie wody z atmosfery [67].
Porowatość i ciężar właściwy drewna
Stosując makroskopowy opis drewna można powiedzieć, że drewno składa się z porów i substancji drzewnej. Wielkość i rozmieszczenie porów ma charakter nieregularny.
Dodatkowo możemy rozróżnić także pory zamknięte i otwarte. W przestrzeń tych drugich mogą wnikać substancje z zewnątrz takie jak np. woda, która występuje w drewnie w postaci wolnej (w przestrzeniach porowych) lub związanej. Taki stan rzeczy sprawia iż w nauce o drewnie rozróżniamy ciężar właściwy drewna oraz ciężar właściwy substancji drzewnej [67].
Ciężar właściwy drewna jest to stosunek ciężaru badanej próbki do jej objętości, która stanowi sumę objętości substancji drzewnej i objętości wszystkich zawartych w próbce przestworów. Tak więc ciężar właściwy drewna jest funkcją porowatości, wilgotności i ciężaru właściwego substancji drzewnej.
Ciężar właściwy substancji drzewnej zawiera się w granicach od 1,46-1,56 g/cm3 dla wszystkich gatunków drewna. W literaturze natomiast przyjęło się stosować i podawać dla uproszczenia i ujednolicenia obliczeń jego uśrednioną wartość równą 1,5 g/cm3 [67].
Porowatość definiuje się stosunkiem objętości zawartych w drewnie porów do objętości drewna suchego, gdzie pod pojęciem drewna suchego rozumie się sumę objętości substancji drzewnej i porów [83, 91]. Udział substancji drzewnej w jednostce objętości drewna określa się dzieląc gęstość drewna suchego przez gęstość substancji drzewnej.
5
1,5 - ciężar właściwy substancji drzewnej [g/cm3]Porowatość uzupełnia się z udziałem substancji drzewnej do wartości 1 wobec tego porowatość C wynosi Jak wynika z powyższych wzorów występuje ścisły związek pomiędzy porowatością a ciężarem właściwym drewna. Ze wzrostem ciężaru właściwego maleje porowatość i na odwrót. Dane liczbowe określające orientacyjnie objętościowy udział substancji drzewnej i porów w całkowicie suchym drewnie zestawiono w tabeli oraz przedstawiono graficznie.
Tab. 4 Związek między ciężarem właściwym a porowatością drewna [67]
Ciężar właściwy
Rys. 13 Ciężar właściwy drewna oraz objętościowy udział substancji drzewnej i porów [67]