Torzya sztuczne Budoa i typy polimeró 1. Pojęcia podstaoe Torzya sztuczne 1 są niejednoznaczną, umoną nazą materiałó, których najistotniejszymi składnikami są polimery. Poza tym zaierają one składniki dodatkoe (środki pomocnicze). Zadaniem tych składnikó jest nadanie torzyom sztucznym ymaganych łaściości uŝytkoych i przetórczych. Polimery to substancje złoŝone z ielkich cząstek (makrocząsteczek) składające się z potarzających (choć niekoniecznie identycznych), połączonych ze sobą długie łańcuchy elementó. Najmniejszym elementem (jednostką monomeryczną, jednostką podstaoą) jest mer. Zaiera on taką samą liczbę i rodzaj atomó jak monomer uŝyty do ytarzania polimeru, z yjątkiem atomó odczepionych, np. podczas polimeryzacji, od cząstki monomeru zykle róŝni się brakiem jednego podójnego iązania między atomami ęgla lub teŝ innym układem atomó.... A A A A A A A A A... polimer mer Rys. 1. Schemat budoy polimeru Monomery to ziązki chemiczne o małej masie cząsteczkoej, zdolne do ielokrotnej reakcji z identycznymi lub innymi cząstkami dzięki obecności nich reaktynych ośrodkó, takich jak iązania nienasycone, reaktyne grupy chemiczne lub nietrały pierścień monomeru. Otrzymyanie syntetycznych ziązkó ielkocząsteczkoych polega na łączeniu się między sobą cząstek monomeró z ytorzeniem makrocząsteczek polimeru rys. 2. Rys. 2. Polimeryzacja cząsteczek etylenu z ytorzeniem makrocząteczek polietylenu Podstaoymi źródłami surocó do otrzymyania monomeró są: ropa naftoa, gaz ziemny, ęgiel kamienny. Właściości monomeró i polimeró są zupełnie róŝne, np.: elastyczność, plastyczność, ytrzymałość mechaniczna itp. Jest to spoodoane odmiennymi artościami masy 1 Nazenicto g PN-74/C-89/03 (Technologia torzy sztucznych) zamiast nazy torzya sztuczne stosuje się określenie torzya ielkocząsteczkoe.
cząsteczkoej polimeró i monomeró. W przypadku polimeró pojęcie to nie jest jednoznaczne jak monomerach. Polimery boiem stanoią mieszaninę makrocząsteczek o róŝnej ielkości i nie mają ściśle określonych łaściości fizykochemicznych. Zjaisko to określa się jako polidyspersję polimeró. W odniesieniu do polimeró pojęcie masy cząsteczkoej poinno być zastąpione pojęciem średniej masy cząsteczkoej oraz krzyą jej rozkładu rys. 3. Zaartość danej frakcji [%] Masa cząsteczkoa Rys. 3. Krzye rozkładu masy cząsteczkoej polimeró; 1 o małym stopniu polidyspersji, 2 o duŝym stopniu polidyspersji Reakcje chemiczne otrzymyania polimeró z monomeró są nazyane zyczajoo polireakcjami. Polimer zbudoany z jednego rodzaju jednostek potarzalnych (meró) jest rónieŝ nazyany homopolimerem. Szczególnym przypadkiem polireakcji jest kopolimeryzacja, czyli łączna polimeryzacja mieszaniny co najmniej dóch róŝnych monomeró z ytorzeniem makrocząsteczek zaierających mery obydu rodzajó, tzn. kopolimeru. Kopolimer, którego skład chodzą die róŝne jednostki strukturalne (umonie oznaczone A i B) moŝe mieć łańcuchy zbudoane róŝny sposób. Na rysunku 4 przedstaiono schematycznie budoę makrocząsteczki kopolimeró. A A B B A B A A A B B A B A B A A B B A B A B B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B B B B B B A A A A A B B B B B A A A A A B B B B nieregularna regularna blokoa A A A A A A A A A A A A szczepiona B B B B B B B B B B B B B B B B B B
Rys. 4. Budoa makrocząsteczki kopolimeró Kopolimer, którego skład chodzą trzy róŝne mery, nazyany jest terpolimerem. RozróŜnia się trzy podstaoe typy polireakcji: polimeryzację, polikondensację i poliaddycję. Polimeryzacja jest procesem łączenia się ielu cząstek monomeru, któremu nie toarzyszy ydzielanie małocząsteczkoych produktó ubocznych. Proces ten przebiega bez zmian składu chemicznego substancji reagujących, a postający polimer róŝni się od monomeru tylko ielkością cząsteczki. Proadzone są poszechnie cztery metody proadzenia polimeryzacji: masie (polimeryzacja blokoa), polimeryzacja perełkoa, emulsyjna i roztorze. Typoym przykładem tej reakcji jest polimeryzacja etylenu: nch 2 = CH 2... CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2... etylen polietylen Polikondensacja (polimeryzacja kondensacyjna stopnioa) polega na łączeniu się ielu cząsteczek monomeró z jednoczesnym ydzieleniem prostego ziązku małocząsteczkoego, np. ody, chloroodoru jako ubocznego produktu reakcji. Chemiczny skład polimeru postającego yniku tego procesu nie jest identyczny ze składem monomeru. Polikondensację moŝna proadzić: stopie, roztorze, na granicy faz. Typoym przykładem polikondensacji jest reakcja torzenia peptydó z aminokasó: O H O H C C O n N R C N R N R N R C... + (n 1)H 2 O H OH H OH H H O Poliaddycja (polimeryzacja addycyjna łańcuchoa) jest procesem łączenia się cząsteczek monomeru skutek przemieszczania (przeskoku) ruchliego atomu odoru. Pooduje to postanie reaktynych ośrodkó monomerze i umoŝliia łączenie się małocząsteczkoych produktó ubocznych i dlatego, podobnie jak yniku polimeryzacji, postały polimer ma taki sam skład chemiczny co reagenty. Typoym przykładem poliaddycji jest reakcja otrzymyania torzy poliuretanoych i epoksydoych. 2. Struktura makrocząsteczek ZaleŜnie od rodzaju reagujących monomeró i arunkó reakcji otrzymuje się polimery: o budoie linioej, o łańcuchu rozgałęzionym, przestrzennie usiecioane. Polimery linioe postają yniku polimeryzacji monomeró z jednym iązaniem podójnym, bądź polikondensacji albo poliaddycji monomeró dufunkcyjnych. Strukturę linioą lub częścioo tylko rozgałęzioną mają polimery termoplastyczne, jak np.: poliolefiny, poli(chlorek inylu), polistyren, poliamidy rys. 5a.
b) a) a) struktura linioa b) struktura rozgałęziona c) c) struktura przestrzennie usiecioana Rys. 5. Schemat budoy róŝnych polimeró W yniku polimeryzacji monomeró z ięcej niŝ jednym iązaniem podójnym, bądź polikondensacji lub poliaddycji monomeró trój- albo ielofunkcyjnych, postają początkoo polimery o łańcuchach rozgałęzionych z grupami funkcyjnymi na końcach rozgałęzień. Dalsze etapy reakcji proadzą do ytorzenia polimeró usiecioanych (rys. 5c). Produkty polimeryzacji o małej liczbie usiecioań odznaczają się elastycznością (elastomery). Ziększenie stopnia usiecioania proadzi do otrzymania sztynych i nietopliych materiałó (duroplasty). Struktura przestrzennie usiecioana postaje pod płyem działania podyŝszonej temperatury (polimery termoutardzalne), lub utardzaczy (polimery chemoutardzalne), bądź obydu czynnikó jednocześnie. Przestrzenne łączenie się makrocząsteczek moŝe zachodzić takŝe następstie reakcji aktynych ośrodkó ytorzonych skutek działania promienioania jonizującego na łańcuchy niektórych polimeró, np. poliolefin. Pojęcie makrocząsteczki przypadku polimeró usiecioanych staje się umone. Wynika to stąd, Ŝe poszczególne łańcuchy tego typu ziązkó ielkocząsteczkoych są połączone iązaniami poprzecznymi i łaściie cała masa polimeru jest jedną makrocząsteczką. Polimery rozgałęzione (rys. 5b) mają budoę pośrednią między polimerami usiecioanymi a linioymi. Są one zykle trudniej rozpuszczalne niŝ polimery o strukturze linioej. 3. Struktura fazoa i stany fizyczne polimeró Rozmieszczenie makrocząsteczek masie polimeru moŝe mieć charakter przypadkoy lub penym stopniu uporządkoany. Całkoicie przypadkoym ułoŝeniem makrocząsetczek odznaczają się polimery bezpostacioe (amorficzne). Regularne usytuoanie makrocząsteczek, jakie ykazują polimery krystaliczne, ystępuje rzadziej niŝ rozmieszczenie przypadkoe. Ponadto polimery, przeciieństie do małocząsteczkoych substancji stałych, nie są całkoicie skrystalizoane. Torzą one układ
dufazoy, którym obok obszaró krystalicznych ystępują jednocześnie obszary bezpostacioe (rys. 6). Strukturę polimeró torzących taki układ moŝna ięc określić jako częścioo krystaliczną. Rys. 6. Dufazoy układ polimeru o strukturze częścioo krystalicznej (linie proste symbolizują obszary krystaliczne)
2.3.1. Polimery bezpostacioe Polimery amorficzne mogą znajdoać się jednym z czterech stanó fizycznych: szklistym, lepkospręŝystym, ysokoelastycznym lub kauczukopodobnym, plastycznym (stan cieczy lepkiej). Z kaŝdym z ymienionych stanó iąŝą się charakterystyczne łaściości fizyczne polimeru. Podczas przejścia polimeru z jednego stanu drugi następuje yraźna zmiana tych łaściości, np. przeodnicta cieplnego, objętości łaściej, rozszerzalności termicznej, modułu elastyczności. Stan szklisty PoniŜej temperatury zeszklenia T g polimery ystępują stanie szklistym (rys. 7). Energia termiczna ruchó makrocząsteczek jest tu zbyt mała, aby mogła nastąpić zmiana ich zajemnego połoŝenia. W stanie fizycznym szklistym yróŝnia się zakres szklisty kruchy i szklisty z ymuszoną elastycznością. W stanie szklistym kruchym odkształcenia są nieielkie i spręŝyste do kilku procent. Polimer spełnia prao Hooke a i jego moduł spręŝystości jest duŝy. Jako granicę przypisuje się artość E = 10 9 N/m 2. Dla ielu polimeró stan szklisty jest jedynym stanem, jakim one ystępują. Do tej grupy polimeró naleŝą szystkie silnie usiecioane ziązki ielocząsteczkoe (duroplasty Ŝyice epoksydoe, fenoloo-formaldehydoe (fenoplasty), nienasycone poliestry, silikony). PoyŜej określonej temperatury następuje ich rozkład termiczny. W stanie szklistym z ymuszoną elastycznością oprócz duŝej ytrzymałości i modułu spręŝystości ystępują znaczne odkształcenia pod działaniem siły (ok. 20% ydłuŝenia). Próbka ydłuŝa się na skutek enętrznych przesunięć łańcuchó, które przypisują połoŝenie zgodne z kierunkiem deformacji. Takie zachoanie ykazuje iększość linioych polimeró termoplastycznych, np. polistyren, poli(chlorek inylu), poli(metakrylan metylu), polięglany, których zakres temperatur uŝytkoania znajduje się obszarze szklistym. Stan lepkospręŝysty W obszarze tym obseruje się gałtoną zmianę łaściości, np. zmniejszanie się modułu spręŝystości raz z temperaturą (rys. 7). Jest to stan pośredni między stanem szklistym a ysokoelastycznym. Zakres temperatur między początkiem zmian łaściości, aŝ do ich ustabilizoania określa się teŝ jako zakres temperatury zeszklenia. Umonie przyjęto za T g temperaturę połoy tego zakresu temperatur.
σ σ σ σ ε ε Rys. 7. Stany fizyczne bezpostacioych polimeró oraz ykresy zachoania się polimeró pod płyem obciąŝenia zaleŝność σ = f(ε): 1 polimery termoplastyczne, 2 polimery o małym stopniu usiecioania (elastomery), 3 polimery o duŝym stopniu usiecioania (duroplasty), T g temperatura zeszklenia, T f temperatura topnienia, T k temperatura kruchości. Stan ysokoelastyczny W stanie tym odkształcenia są spręŝyste, z tą jednak róŝnicą, Ŝe nieielkie napręŝenie pooduje duŝe deformacje, zgodne przybliŝeniu z praem Hooke a, moduł spręŝystości jest nieielki E = 10 7 N/m 2. W tym stanie energia ruchu cieplnego makrocząsteczek jest bliska energii ich zajemnego oddziałyania. MoŜlie są zatem zmiany połoŝenia poszczególnych segmentó łańcuchó polimeru przy braku ruchliości całych makrocząsteczek. Segmenty łańcuchó są zdolne do ykonyania ruchó obrotoych i do częścioego przesunięcia się (ślizgania) zględem siebie pod działaniem sił zenętrznych. Stan ten jest dla niektórych polimeró ostatecznym stanem fizycznym, gdyŝ dalsze ogrzeanie proadzi do ich termicznego rozkładu. Przykładem takich polimeró są trale usiecioane elastomery (ulkanizoane kauczuki). Dalsze ogrzeanie doproadza do termicznego rozkładu makrocząsteczek. ε ε
Stan plastyczny (płynięcie) Odkształcenie polimeru pod działaniem sił zenętrznych zachodzi bez yołania napręŝeń i nie zanika po usunięciu działania siły. Podczas odkształcenia poszczególne łańcuchy polimeru przesuają się sobodnie zględem siebie, gdyŝ energia ich ruchu cieplnego przeyŝsza energię zajemnego oddziałyania polimer płynie. Polimery termoplastyczne linioe, nieusiecioane np. polistyren, poli(chlorek inylu), polięglany, poli(metakrylan metylu), odpoiednich arunkach mogą się znajdoać stanie plastycznym. 2.3.2. Polimery krystaliczne Morfologia polimeró krystalicznych ma bardzo złoŝony charakter, gdyŝ są to materiały polikrystaliczne, tzn. składają się z duŝej liczby obszaró krystalicznych, które znajdują się albo obok siebie, albo obok obszaró amorficznych. Niektóre polimery są rónieŝ polimorficzne, mogą krystalizoać róŝnych formach krystalicznych zaleŝności od historii termicznej oraz rodzaju odkształcenia. Krystaliczne obszary ystępujące polimerach są określane jako krystality. Podczas poolnego chłodzenia stopionych polimeró postają skupiska krystalitó sferolity (rys. 8). Procentoy udział obszaró krystalicznych polimerze nosi nazę stopnia krystaliczności. W zaleŝności od rodzaju polimeru i arunkó jego otrzymyania, a takŝe parametró przetórsta, polimer moŝe mieć róŝny stopień krystaliczności (od 0 do 90%, a naet ięcej). Rys. 8. Sferolity polimerze krystalicznym Z arunkami formoania struktur krystalicznych ziązana jest szybkość krystalizacji zaleŝna od budoy chemicznej polimeru, jego cięŝaru cząsteczkoego oraz zespołu czynnikó zenętrznych, które ilościoo określa rónanie Arrami ego: v v v v 1 0 = exp m ( G t ) którym: v objętość próbki, indeksy określają zaś odpoiednio objętość początkoą i końcoą danym czasie,
G stała szybkość zrostu kryształó (zaleŝna od temperatury i cięŝaru cząsteczkoego), m stała o artości od 1 do 4 (zaleŝna od typu zarodkó krystalizacji geometrycznej formy i mechanizmu zrostu kryształó), t czas. Właściości polimeró krystalicznych Tablica 1 Stopień krystaliczności [%] Dominujące łaściości zakresie temperatur poniŝej T g poyŝej T g 5 10 ysokoelastyczne szkliste, kruche 20 60 skóropodobne, mocne ropopochodne, mocne, ytrzymałe 70 90 tarde, sztyne tarde, sztyne, kruche Niezbędnym arunkiem krystalizacji polimeru jest duŝa regularność i symetria budoie łańcucha. Takie arunki spełniają m.in. politetrafluoroetylen, izotaktyczny polipropylen, poliamidy, poliformaldehyd, politereflalany. Polimery krystaliczne mają barę od mętnomlecznej do opaloej i róŝnią się znacznie łaściościami od polimeró amorficznych, które są przezroczyste. Ze zrostem stopnia krystaliczności ziększa się temperatura topnienia i ytrzymałość mechaniczna polimeru, maleje przezroczystość, a przejście z fazy stałej ciekłą staje się bardziej ostre (odbya się ęŝszym przedziale temperatury).
2.4. Klasyfikacja polimeró 2.4.1. Klasyfikacja chemiczna Za podstaę klasyfikacji chemicznej polimeró przyjmuje się metodę otrzymyania ziązkó ielkocząsteczkoych. ZaleŜnie od pochodzenia tych ziązkó rozróŝnia się polimery naturalnie modyfikoane i torzya syntetyczne. Modyfikoane polimery naturalne są otrzymyane ze ziązkó ielkocząsteczkoych pochodzenia naturalnego przez zmianę ich łaściości sposób chemiczny lub fizykochemiczny. NaleŜą do nich m.in. torzya postałe na bazie pochodnych celulozy (octan celulozy, octanomaślan celulozy). Polimery syntetyczne otrzymyane róŝnych rodzajach polireakcji przedstaia tablica 2 ( takiej klasyfikacji nie uzględnia się faktu, Ŝe polireakcja składa się z procesó elementarnych uzględniamy tylko proces ostatni ( czasie)). Torzya syntetyczne Tablica 2 Torzya otrzymyane przez polimeryzację Polietylen, polipropylen, kopolimery olefinoe Poli(chlorek inylu), kopolimery inyloe Polistyren i kopolimery styrenu Poli(metakrylan metylu) Poliformaldehyd, kopolimer acetaloy Poli(tlenek fenylenu) Politetrafluoroetylen i inne polimery fluoroe Torzya otrzymyane przez polikondensację Fenoplasty Aminoplasty Poliamidy otrzymyane z kasó dikarboksyloych i diamin Polięglany Poliestry Poli(siarczek fenylenu) Poliimidy Polieterosulfony Torzya otrzymyane przez poliaddycję Poliuretany Torzya epoksydoe Poliamidy otrzymyane z laktamó 2.4.2. Klasyfikacja ze zględu na łaściości uŝytkoe Przyjmując za podstaę klasyfikacji torzy ich łaściości uŝytkoe moŝna yodrębnić tej grupie materiałó elastomery i plastomery. Jako kryterium tego podziału przyjęto zachoanie się polimeru, określone na podstaie zaleŝności napręŝenie odkształcenie σ = f(ε) temperaturze pokojoej. Elastomery są to polimery, które przy małych napręŝeniach ykazują duŝe odkształcenie (do 100%), gdyŝ ich temperatura zeszklenia znajduje się poniŝej temperatury pokojoej. Zakres temperatury uŝytkoania znajduje się obszarze stanu ysokoelastycznego. Do tej grupy torzy zalicza się m.in. poli-izobutylen i poliuretany tryskoe. Plastomery ykazują nieznaczne odkształcenie pod nieielkim obciąŝeniem, a poddaane zrastającemu obciąŝeniu zaczynają odkształcać się plastycznie aŝ do mechanicznego zniszczenia. Temperatura zeszklenia plastomeró jest yŝsza niŝ temperatura pokojoa; zakres temperatury ich uŝytkoania znajduje się obszarze stanu szklistego lub tardego. W zaleŝności od łaściości technologicznych moŝna je podzielić na: termoplasty (termoplastyczne polimery amorficzne i krystaliczne), duroplasty (polimery termo- i chemoutardzalne). Torzya termoplastyczne przechodzą kaŝdorazoo stan plastyczny pod płyem ogrzania, natomiast po ochłodzeniu tardnieją. Termoplasty mogą być ięc ielokrotnie
kształtoane, a ich przetórsto ysokiej temperaturze (poniŝej temperatury rozkładu polimeru) nie proadzi yraźny sposób do chemicznych i fizycznych zmian polimeru ani teŝ do zaniku plastyczności. Do termoplastó naleŝą praie szystkie torzya polimeryzacyjne, a ponadto poliamidy, polięglan, poli(siarczek fenylenu), polieterosulfony i termoplastyczne pochodne celulozy. WaŜniejsze plastomery raz z symbolami zgodnie z normą ISO/DIS 1043/1: TERMOPLASTY bezpostacioe krystaliczne poli(chlorek inylu) PVC polietylen PE polistyren PS polipropylen PP polięglan PC poliamidy PA polisulfony PSU polioksymetylen POM W podziale termoplastó na bezpostacioe i krystaliczne uzględniono ich strukturę fizyczną odpoiadającą produktom handloym. Niektóre termoplasty zaliczane do bezpostacioych, np. polięglan, specjalnych arunkach mogą krystalizoać. PS i PVC o budoie izotaktycznej są polimerami krystalicznymi. Duroplasty są torzyami sztucznymi, które podyŝszonej temperaturze lub pod płyem innych czynnikó przekształcają się produkt usiecioany (nietopliy i nierozpuszczalny). W zaleŝności od sposobu utardzania dzielą się one na torzya termoutardzalne i chemoutardzalne. Torzya termoutardzalne podczas ogrzeania początkoo miękną, a następnie utardzają się nieodracalnie skutek przestrzennego usiecioania makrocząsteczek, zachodzącego yniku reakcji chemicznych podyŝszonej temperaturze. Ponone ogrzeanie produktu o budoie usiecioanej nie pooduje jego mięknienia, moŝe natomiast doproadzić ysokiej temperaturze do chemicznego rozkładu polimeru. Najbardziej znanymi przedstaicielami tej grupy torzy są fenoplasty i aminoplasty, np.: Ŝyice fenoloo-formaldehydoe PF Ŝyice mocznikoe UF Torzya chemoutardzalne ulegają siecioaniu temperaturze pokojoej lub podyŝszonej pod płyem substancji zanych utardzaczami. Najczęściej stosoanymi tego typu torzyami są: Ŝyice epoksydoe EP nienasycone poliestry UP silikony SI poliuretany (niektóre) PUR
Dreno Mianem drena określa się suroiec otrzymyany ze ściętych drze i formoany przez obróbkę róŝnego rodzaju sortymenty. Budoę drena najlepiej moŝna zaobseroać na przekroju poprzecznym. W skład drena chodzą: rdzeń, dreno łaście, miazga, łyko, kora, promienie rdzenioe i przeody Ŝyiczne. Podstaoą, najcenniejszą częścią pnia drzenego jest dreno łaście, składające się z bielu i tardzieli. Biel zbudoany jest z komórek przeaŝnie Ŝyych, których rola drzeie polega na przeodzeniu ody i gromadzeniu pokarmó. Tardziel składa się z komórek martych, nie biorących udziału Ŝyciu drzea. Dreno tardzieli jest przesycone garbnikami, ziązkami Ŝyicznymi i barnikami. Ze zględu na duŝe zróŝnicoanie elementó oraz ich układu dniu drzenym, dreno ykazuje duŝą anizotropię łaściości, tj. zróŝnicoanie łaściości fizycznych, mechanicznych zaleŝności od kierunku anatomicznego. Skład chemiczny drena 1. Węgiel 50 % 2. Tlen 43 % 3. Wodór 6,1 % 4. Azot 0,04 0,26 % 5. Składniki mineralne 0,3 1,2 % Węgiel, tlen, odór i azot ystępują drenie głónie postaci kilku ielkocząsteczkoych ziązkó organicznych. Ściany komórek składają się głónie z celulozy, poliozó i ligniny. Zaartość komórek stanoi garbnik, substancje bariące, Ŝyice, olejki eteryczne i alkaloidy. Celuloza (błonnik, C 6 H 10 O 5/10 ) stanoi 50 70 % suchej masy drena. Posiada budoę łóknistą. Jest jedną z najbardziej odpornych substancji organicznych. Nie rozpuszcza się zimnej i gorącej ozie, eterze, alkoholu etyloym, acetonie i innych rozpuszczalnikach organicznych. Hemiceluloza (poliozy drzene) ma budoę zbliŝoną do celulozy, jednak odporność jej jest mniejsza. Lignina (drzenik) jest obok celulozy i hemicelulozy głónym składnikiem ścianek komórek i stanoi ok. 25 % suchej masy drena. Zaiera duŝy procent ęgla. Lignina inkrustując błonnikoe ścianki komórek drena i usztyniając je ziększa ich ytrzymałość. Większa zaartość procentoa ligniny nadaje drenu iększą trałość. Lignina porónaniu z błonnikiem jest mniej odporna na działanie gorących ługó, utleniaczy, chlorkó itp. Celuloza, hemiceluloza i lignina stanoią łącznie 96 % suchej masy drena. Zaartość składnikó róŝnych gatunkach drena Naza składnika Gatunki iglaste Gatunki liściaste Celuloza 53 54 43 45 Poliozy drzene 23 25 24 30 Lignina 26 29 19 26
Oprócz ymienionych składnikó, dreno zaiera małych ilościach skrobię, tłuszcze, Ŝyice, gumy, garbniki, olejki eteryczne, alkaloidy oraz ziązki mineralne postaci fosforanó, ęglanó, mróczanó, szczaianó i krzemianó (łącznie około 4 %). Dreno pali się, tzn. łączy się z tlenem zaartym poietrzu (temperatura zapłonu) normalnych arunkach temperaturze 548 K (275 C). Z poodu stosunkoo małej przeodności cieplnej grubsze dreno nie nagrzea się dostatecznie, a palące się arsty poierzchnioe zaczynają się tlić i końcu gasną. W praktyce przyjmuje się temperaturę zapłonu (drena sosnoego) granicach 573 603 K (300 330 C). Właściości fizyczne drena Bara drena KaŜdy gatunek drena ma soistą barę, zaleŝną od obecności jego komórkach garbnika, Ŝyic lub innych substancji bariących. Rónomierna bara drena śiadczy o jego dobrej jakości. Na zmianę zabarienia drena płya znacznym stopniu jego przechoyanie i konseracja, naleŝy ięc ją ustalić na podstaie głębokiego nacięcia. Zapach drena Dreno kaŝdego gatunku mniejszym lub iększym stopniu ydziela charakterystyczny zapach, który ma pene znaczenie przy odróŝnianiu poszczególnych gatunkó drena. ZaleŜy od zaartości Ŝyic, olejkó eterycznych, garbnika i innych substancji. Substancje te ydzielają zapach przy pocieraniu, nagrzeaniu i obróbce. Celuloza i lignina są bezonne. Większość drze iglastych ydziela zapach Ŝyiczny (terpentyna), śieŝy dąb pachnie kaśno garbnikiem. Dreno chore traci sój zapach, przyjmując oń grzyba lun zgnilizny. Pene gatunki o silnym zapachu Ŝyic lub garbnikó mogą nasycić tym zapachem zapachochłonne toary, które stają się óczas niezdatne do uŝytku. Na przykład uŝycie śieŝego drena sosnoego lub drena zaierającego iększą ilość sękó Ŝyicznych na deskoanie ładoni statkó rybackich pooduje, Ŝe przeoŝona ryba staje się nieprzydatna do spoŝycia. Zapach drena po upłyie penego czasu słabnie, a po ysuszeniu zykle znika zupełnie. Gęstość drena Gęstość drena jest to stosunek masy do objętości drena, yraŝony g/cm 3 lub kg/m 3. Przez objętość drena naleŝy rozumieć sumę objętości substancji drzenej, ody i szystkich olnych przestrzeni. Gęstość drena zaleŝy ięc od ilgotności, poroatości, szerokości słojó rocznych oraz miejsca połoŝenia pniu (porónaj tab. 2). Odrębnym pojęciem jest gęstość substancji drzenej. Gęstość substancji drzenej jest to gęstość masy drena po yeliminoaniu submikroskopoych poró i zaartej nich ody. Wielkość ta jest praie niezaleŝna od gatunku drzea. Średnia artość gęstości substancji drzenej ynosi 1540 kg/m 3. Gęstość substancji drzenej nie ma iększego praktycznego znaczenia. Gęstość drena zmniejsza się od odziomka (dolna część pnia długości do 5 m) ku ierzchołkoi. W sosnach ta róŝnica dochodzi do 21 %, a naet do 27 % na ysokości 12 18 m. W drenie brzozy róŝnica ta osiąga 15 % na ysokości 12 m. DuŜą róŝnicę gęstości ykazuje dreno przyrostu czesnego stosunku do drena późnego. Stosunek ten drenie sosny ynosi 1:2,4, a drenie modrzeia 1:3. Gęstość drena róŝnych gatunkó drze ykazuje duŝą rozpiętość, np. stanie poietrzno-suchym, tj. przy 15 % ilgotności, gęstość drzea podzrotnikoego Alstonia spathulata Blume
ynosi zaledie 0,058 g/cm 3 (58 kg/m 3 ), balsy 0,15 g/cm 3, (150 kg/m 3 ), a drena gajaku aŝ około 1,3 g/cm 3 (1300 kg/m 3 ). Ze zględu na duŝą rozpiętość gęstości drena róŝnych gatunkó drze dzieli się na: bardzo cięŝkie gęstość ponad 0,80 g/cm 3, cięŝkie gęstość 0,71 0,80 g/cm 3, umiarkoanie cięŝkie gęstość 0,61 0,70 g/cm 3, lekkie gęstość 0,51 0,60 g/cm 3, umiarkoanie lekkie gęstość 0,41 0,50 g/cm 3, bardzo lekkie gęstość poniŝej 0,40 g/cm 3. Rodzaje drena Iglaste Gęstość niektórych gatunkó drena krajoych drze iglastych i liściastych oraz niektórych drze egzotycznych [g/cm 3 ] Dreno śieŝo ścięte Dreno poietrzno-suche (ilgotność) [d ] Dreno całkoicie suche [d o ] sosna 0,700 0,58 0,55 modrze 0,760 0,63 0,59 śierk 0,740 0,49 0,46 jodła 1,000 0,52 0,48 Liściaste Dąb 1,080 0,69 0,66 iąz 0,950 0,67 0,64 jesion 0,920 0,71 0,68 Buk 0,990 0,73 0,69 Grab 1,080 0,74 0,70 olcha 0,690 0,53 0,49 brzoza 0,940 0,66 0,62 Klon 0,870 0,68 0,64 Lipa 0,730 0,49 0,46 orzech 0,990 0,68 0,64 Niektóre gatunki egzotyczne balsa 0,13 0,106 mahoń 0,60 0,55 Teak (tik) 0,67 0,63 gajak 1,166 1,16 Wilgotność drena Jest to procentoa zaartość ody drenie, mająca duŝy pły na jego cechy ytrzymałościoe. Woda ystępująca drenie dzieli się na odę: kapilarną (olna), ypełniającą komórki i przestrzenie międzykomórkoe, stanoi 60 % ogólnej ilości ody drenie; higroskopijną (pęcznienia), nasycającą błony i ściany komórek, stanoi do 30 % ogólnej ilości ody;
chemiczną, chodzącą skład soku komórkoego, stanoi 5 % ogólnej ilości ody. Woda chemicznie ziązana ydziela się dopiero przy chemicznym rozkładzie drena yŝszej temperaturze. Górną granicę chłonności i nasycenia błon oraz ścianek komórkoych odą higroskopijną określa się jako punkt nasycenia łókien. ZaleŜnie od gatunku drena punkt nasycenia łókien ynosi od 23 30 % ilgotności. Przy ilgotności przeyŝszającej punkt nasycenia łókien, oda gromadzi się enątrz komórek jako oda olna. Po długotrałym przebyaniu drena odzie ilgotność moŝe zrosnąć do 300 %, a naet ięcej. W praktyce rozróŝnia się ilgotność () drena: stanie śieŝo ściętym = 35 120 %, mokrego = 240 % (np. dreno spłaiane) poietrzno-suchego = 13 20 %, pokojoo-suchego = 8 13 %, absolutnie suchego = 0 %. Przy ysychaniu drena śieŝego lub mokrego stosunkoo szybko yparouje oda olna. Po przekroczeniu punktu nasycenia łókien juŝ znacznie olniej zaczyna odparoyać oda nasycona. Do odparoania ody nasyconej trzeba zuŝyć przybliŝeniu czterokrotnie iększej ilości ciepła niŝ do odparoania tej samej ilości ody olnej. Nieznaczna część ody higroskopijnej i chemicznie ziązanej pozostaje drenie naet po długotrałym suszeniu temperaturze 373 K ± 5 K (100 C ± 5 C). Dalsze suszenie pooduje zmiany strukturalne drena. Stan, do którego dochodzi dreno po długotrałym suszeniu temperaturze 373 K ± 5 K (100 C ± 5 C) nazyamy absolutnie suchym. Wilgotność bezzględną drena yznacza się ze zoru: gdzie: G masa drena ilgotnego [kg], G o masa drena suchego [kg], b ilgotność bezzględna. G Go b = 100 % G o Wilgotność bezzględna drena jest to stosunek zaartej drenie ody do masy drena całkoicie suchego. Wilgotność zględna drena jest to stosunek zaartej drenie ody do masy drena ilgotnego: G G = G o 100 % W drzenictie termin ilgotności oznacza ilgotność bezzględną drena. ZaleŜność między ilgotnością bezzględną i zględną yraŝają zory: o 100 = 100 100 o = 100 + o
Higroskopijność drena Higroskopijność drena jest to zdolność ymiany pary odnej między drenem a otaczającym poietrzem. ZaleŜnie od ilgotności drena oraz od układu arunkó zenętrznych (temperatura i ilgotność zględna poietrza) dreno oddaje nadmiar sej ilgoci otoczeniu lub uzupełnia niedobór ilgoci, pobierając parę odną z poietrza. Pęcznienie i kurczenie się drena Pęcznienie jest to ziększenie ymiaró linioych i objętości drena przy sorpcji pary odnej z atmosfery lub ody z otoczenia. W yniku tego zjaiska ystępuje oda ziązana submikroskopoe pory błony komórkoej. Zjaisko pęcznienia jest ograniczone do przedziału higroskopijnego, tj. do przedziału ilgotności od stanu bezodnego (0 % ilgotności) do ilgotności granicznej błon (30 % ilgotności), przy której dreno osiąga maksymalne ymiary. Woda olna, chłaniana poyŝej ilgotności granicznej błon, nika makroskopoe pory drena, nie poodując pęcznienia. Kurczenie się drena polega na zmniejszeniu się ymiaró przy ysychaniu drena (desorpcja) przedziale higroskopijnym, tzn. od ielkości granicznej błony do stanu bezodnego (od 30 do 0 % ilgotności). W praktyce przyjmuje się, Ŝe kurczenie i pęcznienie są to róne co do ielkości zjaiska odracalne. Współczynnik skurczu linioego jest to ielkość odpoiadająca zmniejszeniu się ilgotności o 1 %. W tabelach łaściości drena podane są artości skurczu linioego i objętościoego, obejmujące cały zakres przedziału higroskopijnego. W obliczeniach praktycznie przyjmuje się, Ŝe spółczynnik kurczliości róna się całkoitemu skurczoi objętościoemu podzielonemu przez 30 (ilgotność graniczna błon) oraz, Ŝe spółczynnik pęcznienia jest róny spółczynnikoi kurczliości, co przedstaia zór: K α v = 3 gdzie: α v spółczynnik kurczliości objętościoej, K v całkoity skurcz objętościoy. v [%] Ziązek między ilgotnością a gęstością drena Zmiany ilgotności drena poodują zmiany jego gęstości. Przy nailŝaniu drena suchego ( = 0 %), gęstość drena rośnie pooli, gdyŝ miarę zrostu masy rośnie, skutek pęcznienia, objętość drena. Po przekroczeniu ilgotności granicznej błon, gęstość rośnie szybko, ponieaŝ zrostoi ilgotności drena odpoiada tylko zrost masy. Objętość drena staje się przy ilgotności granicznej błon ielkością stałą. Przy ysychaniu drena mokrego zjaisko przebiega sposób odrotny. ZaleŜność między gęstością i ilgotnością drena, mieszczącą się przedziale od 0 % do ilgotności granicznej błon, określa zór: d 1+ = do [g/cm 3 ] 1+ α którym: d gęstość drena przy ilgotności, d o gęstość drena suchego [g/cm 3 ], ilgotność drena artościach bezzględnych, α v spółczynnik kurczliości objętościoej ( %). v
Jeśli ilgotność drena przeyŝsza ilgotność graniczną błon, zór przybiera postać: d = d o 1+ 1+ K v [g/cm 3 ] którym K v yraŝa całkoite spęcznienie objętościoe drena, yraŝone artościach bezzględnych. Przeodnicto ciepła i elektryczności Dreno jest złym przeodnikiem ciepła i elektryczności. Przeodność cieplna i elektryczna drena zaleŝy od jego rodzaju, gęstości, od kierunku przebiegu łókien, ilgotności i temperatury. Przeodnicto cieplne maleje raz z yschnięciem i zmniejszeniem gęstości. Właściości mechaniczne drena Przez mechaniczne łaściości drena rozumie się zdolność jego przecistaiania się działaniu zenętrznych sił mechanicznych. Współczynnik ytrzymałości i moduł spręŝystości poszczególnych płaszczyznach (do kierunku przebiegu łókien) drena są róŝne (materiał anizotropoy). Mechaniczne łaściości drena zaleŝą nie tylko od kierunku przebiegu łókien, ale rónieŝ od stopnia nasycenia drena odą. Przy zaartości ody granicach od śieŝo ściętego lub spłaianego drena do punktu nasycenia łókien (23 30 %), łaściości mechaniczne zmieniają się nieznacznie, natomiast granicach od punktu nasycenia łókien do stanu bezzględnie suchego, łaściości mechaniczne szybko zrastają. Gatunek drena Właściości mechaniczne niektórych gatunkó drena Moduł spręŝystości podłuŝnej E [KG/cm 2 ] Średnia ytrzymałość na rozciąganie max [KG/cm 2 ] Wytrzymałość na ściskanie podłuŝne [KG/cm 2 ] Sosna 120 100 720 753 Śierk 129 110 624 555 Jodła 113 300 533 482 Buk 180 000 1 340 445 Dąb 108 300 964 762