Drewno i materiały drewnopochodne

Transkrypt

1 Drewno i materiały drewnopochodne POLLYTAG lekkie kruszywo dla budownictwa drogowego i mostowego W Europie znane i szeroko stosowane w budownictwie konstrukcyjnym kruszywo Lytag produkowane jest od 1960 r. w Wielkiej Brytanii. Według tej samej technologii, holenderska firma B.V. Vasim rozpoczęła produkcję kruszywa Lytag w1985 r. POLLYTAG S.A. w Gdańsku od 1994 r. jest producentem lekkiego kruszywa popiołoporytowego o nazwie handlowej Pollytag, i jest obecnie jedynym przedsiębiorstwem w Europie produkującym tego typu kruszywo. dr inż. Anna Zielińska-Jurek Katedra Technologii Chemicznej pok. 026 Ch.A., tel annjurek@pg.gda.pl Drewno jako surowiec Podstawowymimateriałami stosowanymi do budowy od dawna były: drewno kamień glina naturalna i wypalona(cegła) Cięcie kłód drewna na specjalnych maszynach trakach w zakładach zwanych tartakami Dla przemysłu najwartościowszą częścią drzewa jest pień z niego otrzymuje się większość materiałów drzewnych 1

2 Drewno jako surowiec Od drzewa do wyrobu z drewna Tarcica materiał drzewny powstały po przepiłowaniu kłody wzdłuż jej osi Fornir (okleina) cienki arkusz drewna o grubości od 0,1mmdo 5mm.Powstaje wwynikuścinaniacienkiej warstwy drewna w poprzek słoi, wykorzystywany do produkcji sklejki i oklejania powierzchni drewna i płyt wykonanych z materiałów drewnopochodnych W tartaku kłody drewna pozbawia się kory i przecina trakami, otrzymując tarcicę podstawowy półprodukt drzewny Trociny powstałe podczas przerobu drewna stosuje się do produkcji płyt wiórowych Od drzewa do wyrobu z drewna Budowa drewna 2

3 Rdzeń- najstarsza część pnia Budowa drewna Twardziel najtwardsza część pnia Miazga tworzy nowe warstwy bieli, powoduje to pogrubienie i wzmocnienie pnia Biel żywa tkanka białego koloru, zbudowana z naczyń przewodzących wodę i substancje mineralne Łyko rurki przenoszące produkty asymilacji z liści do łodygi i korzenia Kora zewnętrzna warstwa, chroni przed słońcem, deszczem, grzybami Słoje określają przyrost drzewa w ciągu roku Struktura chemiczna drewna celuloza polisacharyd o wzorze sumarycznym (C 6 H 10 O 5 ) n, główny element strukturalny błony komórkowej roślin n- stopień polimeryzacji celulozy, przeciętnie wynosi Zawartość celulozy w tkance drzewnej wynosi ok. 50%, w liściach 10-20% Drewno o większej gęstości zawiera więcej celulozy(w obrębie tego samego gatunku) Micelarna budowa celulozy Pojedynczy łańcuch celulozy złożony jest z reszt celobiozy połączonych za pomocą mostków tlenowych o dużej energii wiązania wynoszącej kj/mol Cząsteczki celulozy połączone są siłami międzycząsteczkowymi za pomocą poprzecznych wiązań wodorowych o energii wynoszącej ok. 27 kj/mol Wiązania te mogą być spowodowane siłami elektrostatycznego przyciągania cząsteczek, siłami indukcji powstających w wyniku ruchu ładunków elektrycznych lub siłami dyspersji ( w wyniku ruchu elektronów) Wiązanie wodorowe cząsteczek celulozy W celulozie występują wiązania międzycząsteczkowe zwane wiązaniami wodorowymi, związane to jest z obecnością grup hydroksylowych w cząsteczce. Wiązania wodorowe maja dla celulozy duże znaczenie, wpływają na jej właściwości takie jak: pęcznienie, rozpuszczalność, higroskopijność, zdolność do reakcji chemicznej. Rozpuszczenie celulozy wymaga oddziaływania cząsteczek rozpuszczalnika z grupami hydroksylowymi celulozy, w wyniku których następuje zerwanie wiązań wodorowych. Szczególnie istotne jest pękanie wiązań międzycząsteczkowych (intermolekularnych), łączących łańcuchy celulozy. 3

4 Micelarna budowa celulozy Schemat budowy POJEDYNCZEJ mikrofibryli celulozowej: a -micele -krystality celulozowe b - celuloza bezkształtna amorfna c - przestrzenie międzymicellarne W wyniku połączeń poprzecznych za pomocą wiązań wodorowych powstają fibryle elementarne stanowiące wiązki złożone z łańcuchów celulozowych Łańcuchy celulozy tworzą przestrzennie uporządkowane obszary, które noszą nazwę miceli lub krystalitów Łańcuchy celulozowe nie mają jednakowej długości i część z nich wystaje z krystalicznych obszarów miceli tworząc obszary amorficzne nie objęte działaniem sił międzycząsteczkowych b Średnica miceli wynosi 5-15 nm, a długość nm. Fibryle łączą się w wiązki o średnicy nm i tworzą mikrofibryle. Między micelami i mikrofibrylami występują przestrzenie o średnicy około 1 nm dostępne dla wody i związków organicznych. Przestrzenie między fibrylami mają średnicę 10 nm i są dostępne dla związków wielkocząsteczkowych np. ligniny c a Struktura chemiczna drewna hemiceluloza niejednorodne polisacharydy o charakterze naturalnych koloidów zbudowane z glikozy, ksylozy, galaktozy, mannozy, arabiozy, ramnozy i fukozy, połączonych wiązaniami β-glikozydowymi tworzących rozgałęzione łańcuchy Stopień polimeryzacji hemiceluloz wynosi W zależności od gatunków drewno zawiera 20-30% hemiceluloz. Do hemiceluloz zalicza się również substancje pektynowe, gumy, śluzy roślinne Struktura chemiczna drewna Lignina przestrzenny polimer związków aromatycznych, powstających w wyniku przemian biochemicznych substancji pektynowych w procesie drewnienia tkanek roślinnych. Przeciętna zawartość ligniny w drewnie drzew iglastych wynosi 28-30%, a w drewnie drzew liściastych 19-22% Lignina otacza celulozę i hemicelulozę oraz wiąże je w silną strukturę i chroni przed działaniem związków chemicznych Lignina zwiększa twardość drewna, nie zwiększa natomiast jego wytrzymałości 4

5 Skład chemiczny drewna Struktura ściany komórkowej rodzaj drewna woda popiół celuloza (K-H) pentozany lignina subst. ekstrakcyjne rozp. w 1% NaOH świerk 12,87 0,47 61,48 11,08 28,85 3,06 11,65 sosna 12,15 0,48 58,30 11,41 28,45 4,95 14,66 jodła 13,25 0,25 57,28 11,21 28,21 3,30 16,73 topola czarna 10,12 0,73 52,57 20,28 21,30 2,28 16,89 topola biała 12,64 0,29 52,44 23,01 19,95 5,96 18,04 Budowa ściany komórkowej wpływa na właściwości wytrzymałościowe drewna. Zdrewniałe ściany komórkowe stanowią mechaniczny szkielet tkanki drzewnej Błona pierwotna zbudowana z celulozy inkrustowanej ligniną Błona wtórna zbudowana z celulozy i hemiceluloz inkrustowanych ligniną Struktura ściany komórkowej Struktura ściany komórkowej MIEJSCE DLA WODY W ŚCIANIE!!! mostki wapniowe pomiędzy łańcuchami pektynowymi glikoproteidy fibryla celulozowa złożona z mikrofibryli wiązka łańcuchów hemicelulozy wiązka łańcuchów pektyny 5

6 Skład elementarny drewna Drewno pozbawione wody (105 C) ma prawie identyczny skład zawiera : 49.5% węgla 6,3% wodoru 44,2% tlenu Ilość soli mineralnych (popiół) określa się jako ilość popiołu uzyskanego po spaleniu i wyprażeniu próbki drewna. Zawiera się w granicach 0,3 do 1%. Zawartość procentowa popiołu w częściach drzewa część drzewa (grusza, 30 lat) kora drewno liście 7,11 wierzchołki gałęzi 3,46 0,30 średnia część gałęzi 3,68 0,13 niższa część gałęzi 2,90 0,35 pień 2,66 0,30 górna część korzenia 1,13 0,23 średnia część korzenia 1,64 0,22 dolna część korzenia 5,01 Skład popiołu w drewnie Składnikirozpuszczalne wwodzie % głównie K 2 CO 3, Na 2 CO 3 Składniki nierozpuszczalne w wodzie % głównie CaCO 3 oraz węglany, krzemiany, fosforany magnezu i żelaza rodzaj drewna % popiołu K 2 O Na 2 O MgO CaO P 2 O 5 SO 3 SiO 2 buk 0,55 0,09 0,02 0,06 0,31 0,03 0,01 0,03 brzoza 0,26 0,03 0,02 0,02 0,15 0,02 0,01 0,01 modrzew 0,27 0,04 0,02 0,07 0,07 0,03 0,01 0,01 dąb 0,51 0,05 0,02 0,02 0,37 0,03 0,01 0,01 sosna 0,26 0,04 0,01 0,03 0,14 0,02 0,01 0,01 IGLASTE (sosna, jodła, świerk, modrzew, cedr) Miękkie Tańszy materiał niż liściaste Łatwe w obróbce Podział drewna DREWNO LIŚCIASTE (dąb, kasztan, lipa, jesion) Trudne w obróbce Ciężkie Bardzo wytrzymałe Ciekawa budowa słoi (dekoracje) Drewno liściaste wykorzystywane jest do wyrobu mebli, sprzętu sportowego, narzędzi stolarskich, konstrukcji wymagających dużej wytrzymałości Drewno iglaste służy do produkcji elementów konstrukcyjnych budynku, stolarki budowlanej, materiałów podłogowych Podział drewna budowlanego Drewno budowlane najogólniej można podzielić na dwie podstawowe grupy: drewno okrągłe tarcicę(iglastą i liściastą) Oprócz tych materiałów wyodrębnić należy jeszcze grupę obejmującą: wyroby z drewna wyroby z materiałów drewnopochodnych 6

7 Podział drewna budowlanego Drewno okrągłe Z części pnia, po odcięciu wierzchołka, usunięciu kory oraz odcięciu gałęzi i sęków równo z obwodem drzewa, otrzymuje się drewno okrągłe. Podział drewna budowlanego W zależności od średnicy i długości drewno okrągłe dzieli się na następujące sortymenty: Grubiznę średnicaminimum 5cmbez kory Dłużycę - o minimalnej średnicy 20 cm i długości minimum 9,0 m dla gatunków iglastych i 6,0 m dla gatunków liściastych Kłody-grubizna odługości2,50 8,90(iglasta) i2,50 5,90(liściasta) Wyrzynki- grubizna o mniejszych długościach Żerdzie-drewno ośrednicy 7 14cm Szczapy- drewno uzyskane przez łupanie wzdłuż włókien Wałki drewno okrągłe średniowymiarowe o długości 0,5 2,6 m Podział drewna budowlanego Drewno okrągłe ma zastosowanie do wyrobu takich elementów jak: pale słupy podpory belki mostowe, słupy do rusztowań stemple stanowi surowiec tartaczny Tarcica- materiał przetarty z drewna okrągłego W zależności od sposobu przetarcia, tarcicę dzieli sie na grupy: Tarcica nieobrzynana - Materiał uzyskany z przetarcia na ostro (jednokrotnie) Tarcica obrzynana - uzyskana z przetarcia dwukrotnego z pryzmowaniem lub z przetarcia na ostro i następnie obrzynania równoległego do osi wzdłużnej Tarcica: (a) nieobrzynana, (b) obrzynana 7

8 Właściwości drewna Barwa zależy od gatunku i wieku drzewa. Każdy gatunek drzewa ma inną barwę twardzieli i bieli, która przechodzi od białej do żółtej Biała świerk, jodła, klon, brzoza, lipa, topola Żółta dąb, buk, olcha, orzech, jesion Budowa słojów ma wpływ na wygląd, wytrzymałość, obrabialność i gładkość Budowa gładka bez śladów pierścieni rdzeniowych Drewno przeznaczone do wyrobów mebli, wyrobów artystycznych oraz modelarstwa powinno być jednorodne o gładkich włóknach Wilgotność zależy od czasu i sposobu suszenia, rodzaju drewna i okresu w którym zostało ścięte. Zbyt mała wilgotność powoduj pękanie, a zbyt duża powoduje pęcznienie drewna Wilgotność drewna do produkcji mebli powinna wynosić 8-12% Właściwości drewna Gęstość zależy od rodzaju i wilgotności drewna Higroskopijność zdolność drewna do wchłaniania wilgoci Zbyt duże wchłanianie wilgoci obniża wartość drewna jako materiału Zapach zależy od czasu ścięcia drzewa, zawartych olejków eterycznych, żywic. Najbardziej intensywny zapach ma drzewo iglaste Właściwości drewna Zalety drewna Twardość opór jaki stawia drewno materiałom wciskanym w jego powierzchnię, zależy od gatunku drewna, przekroju i gęstości. Drzewo liściaste twarde, iglaste miękkie Ścieralność ubytek drewna na powierzchni pod wpływem tarcia, zależy od gatunku drewna, jego twardości i rodzaju przekroju Trwałość Lekkość Dobra wytrzymałość mechaniczna Niska rozszerzalność cieplna Sprężystość Lekkość obróbki 8

9 Wady drewna Wady drewna Sęki dolne części gałęzi wrośnięte w drewno pnia. Obniżają one własności wytrzymałościowe drewna Falistość słojów Pęknięcia powstają w następstwie nierównomiernego wysychania zewnętrznych i wewnętrznych warstw drewna Przeżywiczenie miejscowe nadmierne przesycenie żywicą Sinizna zabarwienie drewna iglastego od zielonoczarnego do niebieskiego spowodowane przez grzyby z grupy workowców Pęcherz żywiczny szczelina między dwoma słojami rocznymi wypełniona płynną żywicą. W miejscu pęcherza żywicznego słoje są lekko wygięte Chodniki owadzie powstają w wyniku żerowania wielu larw owadów Wady drewna Zakorki powstają w miejscu zrośnięcia się dwóch drzew lub konarów. W miejscach tych następuje na obwodzie drewna wgłębienie wypełnione korą Zgnilizna w drzewie rosnącym jest następstwem rozwoju grzybów pasożytniczych np. huby, opieńki W drewnie ściętym spowodowana jest występowaniem grzybów z grupy roztoczy Wady drewna Wady drewna zależą od różnych czynników: 1. Związane ze wzrostem drzewa sęki nieregularność słoi nagromadzenie żywicy skręt włókien pęknięcia 2. Związane z procesami gnilnymi podczas wzrostu drzewa albo po jego ścięciu powodują zmianę zabarwienia, siniznę, zgniliznę, próchnicę 3. Związane z żerowaniem owadów na drzewie lub drewnie 4. Związane z działaniem temperatury i wilgoci pękanie butwienie obniżenie własności pod wpływem chłonięcia wody 9

10 Tworzywa drzewne i materiały drewnopochodne to materiały z drewna ulepszonego lub materiały, których podstawowym składnikiem jest drewno lub produkty jego przetworzenia. Materiały te są otrzymywane przez: modyfikację drewna litego metodami mechanicznymi, chemicznymi lub termicznymi, sklejanie, często pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze, klejami organicznymi lub spoiwem mineralnym warstw fornirów, desek i listew bądź wiórów, trocin, wełny drzewnej, sklejanie naturalnym lepiszczem (głównie ligniną lub z dodatkiem substancji klejących) wcześniej rozwłóknionego drewna Zasadnicze tworzywa drzewne i materiały drewnopochodne: tworzywa na bazie drewna litego - drewno klejone i ulepszane (np. lignoston i lignomer, ThermoWood), płyty stolarskie, tworzywa na bazie forniru- sklejka, lignofol oraz nowe materiały np. LVL i PSL, tworzywa na bazie elementów otrzymywanych przez wzdłużne rozszczepianie drewna litego- Scrimber, Tim Tec, materiały na bazie wiórów - różne odmiany płyt wiórowych oraz OSB i nowe materiały np. LSL, materiały na bazie wełny drzewnej płyty wiązane cementem portlandzkim lub magnezytem, materiały na bazie trocin płyty trocinowe, trocinobeton, materiały na bazie włókien - płyty pilśniowe wytwarzane metodą mokrą i metodą suchą(mdf) 1. Drewno klejone (klejonka) stosowane jako materiał konstrukcyjny Układ spoin klejowych w przekroju poprzecznym: a) drewno klejone warstwowo poziomo, b) drewno klejone warstwowo pionowo 2. Fornir cienki płatdrewna ogrubości do5mm. Cienkie forniry o grubości do 1 mm są używane do produkcji sklejki oraz jako okleiny drewna i płyt 3. Sklejka materiał drewnopochodny produkowany w postaci płyt. Składa się ze sklejonej i wysuszonej pod ciśnieniem nieparzystej liczby warstw okleiny Słoje sąsiadujących warstw ułożone są pod kątem płaskim Stosowane są w meblarstwie, szkutnictwie, modelarstwie, budownictwie (konstrukcje ścian) Wyrabiane są z drewna liściastego (brzoza, buk) i iglastego (sosna) Sklejka 10

11 W procesie produkcji sklejki wyróżnia się operacje: a) formatyzowanie sklejki (wstęgi) w płaty odpowiadające wymiarom sklejki b) suszenie płatów c) klimatyzacja d) nanoszenie kleju Sklejanie sklejki odbywa się za pomocą klejów mocznikowoformaldehydowych i fenolowo-formaldehydowych. Sklejanie odbywa się w prasach wielopółkowych przy zachowaniu parametrów ciśnienia i prasowania dla gatunków miękkich 1-1,4kPa twardych 1,4-2kPa. e. formowanie zestawu sklejki f. sprasowywanie Temperatura prasowania dla klejów mocznikowych C dla wodoodpornych C Czas prasowania-zależy od grubości sklejki i ogólnie przyjmuje się 4min+1minnakażdymmpołowy grubości. g. obrzynanie lub szlifowanie sklejki h. klasyfikacja Lignoston - uzyskuje się przez sprasowanie litego drewna (głównie gatunków liściastych) pod ciśnieniem ok. 30 MPa i w temperaturze ok. 130 C. Lignomer otrzymuje się poprzez wgłębną modyfikację struktury drewna litego przy użyciu tworzyw syntetycznych (np. polistyrenu lub polimetakrylanu winylu). Polega to na wprowadzeniu do drewna małych cząstek tworzyw sztucznych (monomerów), a następnie ich spolimeryzowaniu wewnątrz drewna w wyniku działania ciepła i substancji inicjujących reakcje polimeryzacji Drewno modyfikowane termicznie np. ThermoWood drewno wygrzewane w kilku fazach, w celu przekształcenia składników drewna(celulozy, hemicelulozy, ligniny). Po obróbce poziom wilgotności drewna jest mniejszy o 50%. Staje się ono trwalsze, poprawia się jego odporność na gnicie i pleśń, zmniejsza się chłonność. Kurczliwość maleje nawet do 90% oraz poprawiają się właściwości izolacji termicznej. Maleje odporność na łamanie i pękanie. Kolor drewna zmienia się na brązowy 11

12 Charakterystyka właściwości drewna modyfikowanego termicznie Lignofol - zagęszczone drewno warstwowe jest tworzywem otrzymywanym w procesie klejenia na gorąco, klejami wodoodpornymi, pod ciśnieniem 5-20 MPa, arkuszy lub skrawków forniru o grubości poniżej 1 mm. Drewno warstwowe lignofol materiał warstwowy w postaci płyt o grubości mm, otrzymywany w wyniku sklejenia fornirów wodoodpornym klejem syntetycznym pod wysokim ciśnieniem 5-20 MPanagorącolubskrawkówforniruogrubościponiżej 1mm Wykazuje wyższą twardość i wytrzymałość na zginanie, skręcanie, ściskanie od drewna naturalnego Nie ściera się tak prędko jak drewno naturalne, nie zasycha i nie nasiąka wodą Wykorzystywane do budowy kół zębatych, łożysk i sprzętu sportowego Płyty pilśniowe produkowane z rozwłóknionych i spilśniowanych włókien drewna uzyskiwanych z gorszych gatunków drewna i odpadów drzewnych sprasowanych pod wysokim ciśnieniem Płyty pilśniowe dzielimy na: Porowate miękkie pochłaniają dźwięki, nie przewodzą ciepła (izolacja cieplna i akustyczna pomieszczeń) Półtwarde Twarde stosowane w przemyśle meblarskim, do budowy domków wczasowych itp. Bardzo twarde Czasami nasączane są środkami impregnacyjnymi odporne na wilgoć i zagrzybienie Grubośćpłytwynosi od5mdo32mm 12

13 Zalety płyt pilśniowych: duże rozmiary jednorodność materiału ograniczenie operacji obróbczych (wymaga przycięcia na zadany wymiar i ewentualnie uszlachetniającej obróbki powierzchni licowej) Płyty wiórowe produkowane z odpadów tartacznych rozdrobnionych do postaci wiórów Cząstki drewna zespala się przy pomocy kleju podczas obróbki termicznej pod ciśnieniem Wady płyt pilśniowych: częste przebarwienia i nierówności powierzchni niejednakowa struktura przeciwległych powierzchni Proces technologiczny wytwarzania płyt wiórowych obejmuje: a. przygotowanie wiórów(sortowanie i rozdrabnianie); b. przygotowany surowiec posortowany metodą sitową i pneumatyczną podlega zaklejaniu(dodatek kleju 8-12% masy); c. pokryte klejem wiórki formowane są w kobierzec o grubości zapewniającej grubość sprasowanej płyty; d. sprasowanie płyty odbywa się w 2 etapach: prasowanie wstępne kobierca doprasowywanie właściwe pod ciśnieniem 1-4Mpa przez czas 0,6-1s na każdy mm grubości e. odwodnienie płyty f. hartowanie g. klimatyzacja płyty Zalety płyty wiórowej: duże wymiary; duża stabilność wymiarowa w płaszczyżnie płyty; możemy otrzymywać płyty wiórowe wodoodporne. Wady płyty wiórowej: duży ciężar 13

14 Płyty OSB- specyficzna odmiana płyt wiórowych Wióry stosowane do produkcji OSB to tzw. wióry płaskie. Mają one większe wymiary w porównaniu z wiórami stosowanymi do wytwarzania tradycyjnych płyt wiórowych- przypominają swą morfologią skrawki forniru. Cząstki te łączone są przy użyciu żywic syntetycznych. Skrót OSB pochodzi od pierwszych liter nazwy angielskiej: oriented strand board(płyty o wiórach orientowanych) Płyty cementowo-wiórowe wytwarzane z długich wiórów połączonych cementem hydraulicznym. Jako cement może być użyty cement portlandzki lub cement zawierający magnez (np. magnezyt). Zamiast wiórów w płycie cementowej może znajdować się wełna drzewna. Mogą też być zastosowane zrębki drzewne. Wełna drzewna Płyty z wełny drzewnej Płyty zrębkowo-cementowe Płyty MDF i HDF płyty drewnopochodne nowszej generacji Płyta MDF powstaje w wyniku sprasowania włókien drzewnych z dodatkiem organicznych związków łączących i utwardzających w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Otrzymany materiał ma jednorodny przekrój, jest twardy MDF Medium Density Fibreboard jest oznaczeniem płyty z włókien drzewnych ośredniejgęstości. Gęstośćpłytystanowiod650do850kg/m 3. HDF - Hight Density Fibreboard jest to płyta z włókien drzewnych, która charakteryzuje się dużą twardością i podwyższoną gęstością (powyżej 850 kg/m 3 ).Jesttozazwyczaj cienka płyta,będącaalternatywą dlasklejkidrewnianej. Stosowany jest do produkcji paneli podłogowych, płyt dla przemysłu meblarskiego i robót stolarskich Proces technologiczny wytwarzania płyt MDF a. ścinki drewna rozcierane są na włókna i zaprawiane żywicą. b. suszenie i formowanie w ciągłą matę. c. cięcie maty na arkusze, które poddaje się wysokiej temperaturze i znacznemu naciskowi W efekcie powstaje materiał o jednorodnym składzie w całym przekroju. Gęstość płyty często przekracza aż o 50% gęstość litego drewna. Płyty MDF charakteryzują się wyjątkową twardością. 14

15 15