Drewno

Marek Ćwiklik

WPiE

Drzewa są to rośliny wieloletnie o pędach zdrewniałych, wykształcające łodygę główną, czyli pęd. W każdym drzewie wyróżnia się trzy zasadnicze części składowe: koronę, obejmującą konary i gałęzie wraz z ulistnieniem, które przyswaja CO₂ z powietrza, a oddaje tlen; pień drzewa - nadziemną część masy drzewnej między szyją korzeniową, a wierzchołkiem drzewa; pień spełnia funkcje przewodzenia wody i asymilatów oraz funkcje mechaniczne; korzenie - podziemną część drzewa, które pobierają z gleby wodę z solami mineralnymi, a zarazem wiążą drzewo z podłożem.

Drzewa dzielimy na liściaste i iglaste.

Największą wartość techniczną ma drewno z pnia. A więc drewno jest to materiał pozyskany ze ściętych drzew.

Swoiste cechy drewna, dostrzegalne gołym okiem, noszą nazwę cech makroskopowych natomiast cechy drewna, które można dostrzec tylko pod odpowiednim powiększeniem, nazywają się cechami mikroskopowymi. Cechy te w znacznym stopniu ujawniają techniczne właściwości drewna i są podstawą do rozpoznawania gatunków drewna.

MIKROSKOPOWA BUDOWA DREWNA.

Podstawowym składnikiem drzewa jest komórka. Do zasadniczych części żywej komórki należą: błona komórkowa, plazma, jądro i wodniczki.

Błona komórkowa jest wytwarzana przez plazmę i stanowi ściankę komórki. Z chwilą śmierci komórki plazma zamiera i pozostaje tylko błona komórkowa. Błony o różnej budowie tworzą drewno. Od ich budowy zależą fizyczne, mechaniczne i chemiczne właściwości drewna.

Tkanki są to większe zespoły komórek, spełniające określone czynności.

Komórki miękiszowe są to cienkościenne komórki, pozostające w łączności pomiędzy sobą oraz z obumarłymi komórkami tkanki przewodzącej. Komórki miękiszowe w okresie wegetacji przewodzą materiały pokarmowe do miejsca ich zużycia, a w okresie spoczynkowym przechowują materiały zapasowe, jak- skrobia, cukry, tłuszcze.

Włókna drzewne występują licznie w drewnie drzew liściastych, brak ich zupełnie w drewnie iglastym. Są to wydłużone grubościenne, przeważnie martwe, komórki wypełnione powietrzem. Długość włókien drzewnych wynosi 0,7-1,8 mm, średnica zaś - 0,02-0,05 mm.

Naczynia występują tylko w drewnie drzew liściastych. Służą one do przewodzenia wody wzdłuż pnia.

Cewki są głównym elementem budowy drewna drzew iglastych. Są to martwe wydłużone komórki o zdrewniałych ściankach różnej grubości. Długość cewek wynosi 2-10 mm, grubość ich jest ok. 100 razy mniejsza od ich długości. Cewki funkcje przewodzenia wody i funkcje mechaniczne.

Przewody żywiczne. W drewnie wielu gatunków iglastych znajdują się przewody żywiczne i żywica. Przewody żywiczne bywają podłużne, biegnące wzdłuż pnia, i poprzeczne-w wielowarstwowych promieniach rdzeniowych. Średnica przewodów żywicznych podłużnych wynosi średnio ok. 1 mm, a średnia długość ok. 50 cm. Średnica poprzecznych ok. 0.04 mm, a największa długość nie może przekraczać długości promienia pnia. Wszystkie przewody żywiczne są powiązane w system kanałów. Przewód żywiczny ma w przekroju poprzecznym kształt kanału, zbudowanego z 4-6 komórek żywicorodnych. Komórki te produkują żywicę. Są to cienkościenne żywe komórki, mające elastyczną błonę, plazmę i jądro. Wyprodukowane cząsteczki żywicy są wtłaczane do kanału, pokonując nieraz duże ciśnienie ok. 20 at. Występowanie żywicy powoduje zwiększenie trwałości drewna i jest w niektórych wypadkach zjawiskiem dodatnim. W innych jest cechą ujemną utrudniającą obróbkę.

MAKROSKOPOWA BUDOWA DREWNA.

W budowie pnia można odróżnić: rdzeń, drewno, korę, promienie rdzeniowe, przewody żywiczne.

Rdzeń. Rdzeń jest fizjologicznym środkiem pnia. Oś rdzenia często jest odchylona od osi geometrycznej pnia. Odchylenie to uwidacznia się na przekroju poprzecznym pnia nierównomierną strukturą drewna, a mianowicie z jednej strony rdzenia drewno ma słoje szersze, a z drugiej zaś węższe. Struktura rdzenia jest słaba, gdyż jest on zbudowany ze słabych cienkościennych komórek, które w miarę rozwoju drzewa obumierają. Dlatego też rdzeń nie przedstawia wartości technicznej.

Drewno. Drewno wypełnia przestrzeń między rdzeniem w środku pnia, a warstwą łyka i kory na jego obwodzie. Drewno ma budowę nierównomierną, jego wygląd i cechy zmieniają się w zależności od kierunku włókien. Jest to materiał typowo różnokierunkowy, co utrudnia obróbkę i stosowanie techniczne. Zróżnicowaną budowę drewna dostrzega się wyraźnie na podstawie trzech przekrojów: poprzeczny, podłużny promieniowy, podłużny styczny.

Na przekroju poprzecznym zaznaczają się warstwy rocznych przyrostów- słoje roczne, a u niektórych gatunków drzew również promienie rdzeniowe o ciemniejszym zabarwieniu. Na przekroju podłużnym promieniowym przyrosty roczne- słoje roczne- występują w postaci pionowo przylegających warstw równolegle ułożonych w kierunku rdzenia, zaś na przekroju podłużnym stycznym- w postaci parabolicznych smug.

Kora składa się z dwóch różnych warstw- wewnętrznej, zwanej łykiem i zewnętrznej, zwanej tkanką korkową.

FIZYCZNE WŁAŚCIWOŚCI DREWNA.

Do fizycznych właściwości drewna zalicza się: właściwości określające wygląd drewna- barwa, połysk i rysunek; zapach drewna; właściwości wynikające z zachowania się drewna w stosunku do wody- wilgotność, higroskopijność , pęcznienie i kurczenie się drewna; właściwości cieplne, elektryczne, akustyczne i inne.

Barwa drewna.

W drewnie naszych gatunków drzew wyróżnia się 6 zasadniczych rodzajów zabarwienia drewna:

1. barwa zbliżona do białej- jodła, świerk, grab, buk, klon

2) barwa żółta- brzoza, limba

3. barwa brunatna- dąb, jesion

4. różne odcienie barwy czerwonej- cis, modrzew, sosna, śliwa

5. barwa zielonawa- grochodrzew

6. barwa zbliżona do czarnej- orzech

Duże zróżnicowanie barwy może występować w ramach tego samego gatunku. Na przykład drewno dębu zależnie od siedliska ma barwę od piaskowożółtej poprzez brunatną i ciemnobrunatną do czerwonej.

Połysk drewna.

Promień drewna jest wynikiem odbicia promieni świetlnych od gładkiej powierzchni drzewa. Powierzchnia szorstka rozprasza promienie świetlne i nie daje połysku. Nasilenie połysku zależy od gładkości powierzchni, rodzaju przekroju i gatunku drewna. Szczególnie intensywnym połyskiem wyróżnia się błyszcz dębu i duka.

Rysunek drewna.

W wyniku różnorodnej budowy drewna jego przekrój nigdy nie przedstawia jednolitej powierzchni; urozmaica ją rysunek z różnymi odcieniami barw. Rysunek zależy od rodzaju przekroju, gatunku i cech związanych z budową drewna. Najładniejszy rysunek występuje na przekroju podłużnym stycznym, słoje roczne układają się w kształcie paraboli i hiperboli, co szczególnie uwydatnia się w przekroju obwodowych części pnia.

Zapach drewna.

Drewno ma w swym składzie związki aromatyczne, tłuszcze, garbniki, żywice. Utlenianie się tych związków daje zapach, wyczuwalny w większym stopniu zaraz po ścięciu drzewa i malejący z upływem czasu. Drewno iglaste ma zapach żywicy, stopniowo malejący. Trwały zapach zostaje w drewnie limby i jałowca. Z gatunków liściastych dąb, jesion, olcha wydzielają zapach garbników.

Wilgotność drewna.

W drzewie żyjącym woda stanowi główny składnik soku komórkowego żywych komórek, znajduje się w błonach komórkowych oraz wypełnia cewki i naczynia bielu. Rozróżnia się wilgotność drewna techniczną, której poziom wiąże się z wymaganiami obróbki, oraz wilgotność użytkową, zależną od zastosowania go i od warunków użytkowania. Wilgotność techniczna powinna być nieco niższa (ok. 2%) od wilgotności użytkowej, co gwarantuje jakość połączeń. Wymagana wilgotność użytkowa dla niektórych wyrobów wynosi:

- deszczułki posadzkowe 8-10%

- meble i sprzęty domowe 8-10%

- stolarka budowlana wewnętrzna 10-12%

- stolarka budowlana zewnętrzna 12-16%

- galanteria drzewna 8-12%

- skrzynki i komplety skrzynkowe 15-20%

Pęcznienie i kurczenie się drewna.

Pęcznienie drewna jest to zwiększenie się wymiarów liniowych i objętości drewna w skutek wchłaniania wody. Pęcznienie jest wynikiem przenikania wody w najmniejsze, tzw. submikroskopowe przestrzenie błon komórkowych. Powyżej punktu nasycenia włókien drewno nie pęcznieje.

Kurczenie się drewna stanowi objaw odwrotny do pęcznienia. Jest to zmniejszanie się jego wymiarów wskutek wysychania. Kurczenie się drewna jest wynikiem oddawania wody związanej z substancją drzewną.

Gęstość drewna.

Gęstość drewna jest to stosunek masy do objętości w stanie określonej wilgotności lub w stanie zupełnie suchym. Gęstość drewna zależy od ilości substancji drzewnej, ilości wody i ilości porów zawartych w jednostce objętości drewna. Stosowane jest również pojęci umownej gęstości drewna. Umowna gęstość drewna jest to stosunek masy drewna w stanie zupełnie suchym do jego objętości w stanie maksymalnego spęcznienia.

Właściwości cieplne drewna.

Właściwości cieplne drewna mogą być scharakteryzowane przez ciepło właściwe drewna, współczynnik przewodnictwa cieplnego i współczynnik rozszerzalności cieplnej drewna.

Ciepło właściwe drewna jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1kg masy drewna o1K, wyrażone w J/(kg_*K) kcal/(kg_*^oC). Dla drewna całkowicie suchego w granicach temperatury 0-100 ^oC ciepło właściwe c_śr średnio wynosi 1357 J/(kg_*K). Przy wilgotności drewna 15% ciepło właściwe drewna wynosi 1717 J/(kg_*K). Zatem drewno może być stosowane np. na trzonki i uchwyty narzędzi, które podczas pracy silnie się rozgrzewają.

Współczynnik przewodnictwa cieplnego jest to ilość ciepła przepływającego w ciągu 1h przez dany materiał, przez przekrój o powierzchni 1m², przy odległości przeciwległych ścian 1m i przy różnicy temperatur 1^oK; wyraża się go w W/(m_*K). Jest on miarą zdolności przewodzenia ciepła przez dany materiał. Dla drewna współczynnik ten wynosi 0,140-0,407 W/(m_*K). Mały współczynnik przewodnictwa ciepła drewna podnosi jego wartości izolacyjne.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej jest to stosunek wydłużenia jednostki długości danego ciała przy ogrzewaniu o 1K do wymiaru długości w temperaturze 273,15K. Wzdłuż włókien jest około 10 razy mniejszy niż w poprzek.

Właściwości elektryczne drewna.

Suche drewno jest złym przewodnikiem elektryczności. Przewodność elektryczna drewna zwiększa się w miarę wzrostu jego wilgotności w granicach od 0-30%. Przewodnictwo wzdłuż włókien jest prawie 2 razy większe niż w poprzek włókien.

Drewno umieszczone między płytami kondensatora w polu wysokiej częstotliwości nagrzewa się równomiernie w całej swej objętości. Zjawisko to jest wykorzystane podczas klejenia i suszenia drewna.

Właściwości akustyczne drewna.

Właściwości akustyczne drewna są to cechy wpływające na przebieg zjawisk dźwiękowych w drewnie. Zależą one od budowy drewna, przebiegu włókien, gęstości itd. Właściwości te decydują o możliwości i zakresie zastosowania drewna jako materiału dźwiękochłonnego i rezonansowego.

Dźwiękochłonność, czyli zdolność pochłaniania dźwięku przez drewno, jest niewielka.

Rezonans, czyli współbrzmienie, polega na przejmowaniu drgań i wzmacnianiu dźwięku. Właściwości rezonansowe pozwalają na zastosowanie drewna do wyrobu instrumentów muzycznych. Najlepiej do tego celu nadaje się drewno świerka, jodły i jaworu o słojach równomiernie falistych, niewielkiej gęstości i określonym udziale drewna późnego.

Trwałość drewna.

Trwałość drewna jest to odporność drewna niszczące działanie różnych czynników. Ocenia się ją na podstawie czasu, przez jaki drewno zachowuje swoje właściwości fizyczne i mechaniczne. Większą trwałość wykazują: drewno gatunków twardzielowych, drewno gatunków iglastych, drewno zawierające garbniki, gumy, olejki eteryczne, drewno z lasów górskich i północnych. Na trwałość drewna wpływają warunki, w jakich się ono znajduje.

Drewno jest w pewnym stopniu odporne na działanie kwasów i zasad, dlatego używane jest na kadzie i zbiorniki.

MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI DREWNA.

Mechaniczne właściwości drewna określają jego zdolność przeciwstawiana się działaniu zewnętrznych sił, które mogą powodować jego przejściowe lub trwałe odkształcenia albo zniszczenia. Przyrost sił zewnętrznych może przebiegać powoli, jednokierunkowo aż do stopniowego osiągnięcia wielkości maksymalnej; obciążenie takie nazywa się obciążeniem statycznym. Natomiast obciążenie dynamiczne występuje w postaci jednorazowego gwałtownego uderzenia lub w formie wielokrotnych obciążeń o zmiennym kierunku. Działające na drewno siły zewnętrzne są równoważone siłami oporu stawianego przez drewno, czyli przez jego wytrzymałość. Każda jednostka powierzchni przekroju poprzecznego, 1 cm² drewna, stawia pewien opór, który określa się nazwą naprężenia. A zatem naprężenie jest to stosunek działającej siły do powierzchni przekroju, wyrażony w Pa.

Siła działająca na drewno powoduje zmianę jego kształtu i wymiarów, czyli jego odkształcenie. Odkształcenia, które ustępują po usunięciu siły, nazywają się sprężystymi, a odkształcenia, które zostają po usunięciu siły-trwałymi. Największe naprężenie, przy którym po usunięciu działającej siły drewno powraca do swego pierwotnego kształtu i wymiarów, nazywa się granicą sprężystości.

Mechaniczne właściwości drewna określają możliwość jego zastosowania w konstrukcjach oraz wielkość koniecznych przekrojów elementów konstrukcyjnych.

Wpływ czynników na mechaniczne właściwości drewna.

Na mechaniczne właściwości drewna mają wpływ następujące czynniki:

- Wytrzymałość drewna zależy od udziału drewna późnego, mającego bardziej strukturę niż drewno wczesne.

- Wzrost wilgotności w granicach od 0÷30% powoduje spadek wytrzymałości drewna. W punkcie nasycenia włókien, czyli przy 30% wilgotności, wytrzymałość drewna jest najniższa. Dalsze wchłanianie wody wolnej nie na wpływu na wytrzymałość drewna. W celu ujednolicenia wyników przyjęto, aby badania wytrzymałościowe przeprowadzać na próbkach drewna o wilgotności 12%.

- Odchylenie przebiegu włókien od kierunku równoległego do podłużnej osi drewna powoduje zmniejszenie jego wytrzymałości tym większe, im większy jest kąt odchylenia.

- Wytrzymałość wzrasta ze wzrostem gęstości drewna.

- Drewno wolne od wad jest bardziej wytrzymałe niż z wadami.

- W obrębie jednego gatunku drewna z drzew starych ma niższą wytrzymałość niż drewno z drzew młodych lub w normalnym wieku rębności.

- Badania próbek małych (np. 2X2X2cm) dają wyższe wyniki wytrzymałości drewna niż przy badaniu próbek większych (przy małych próbkach łatwiej uniknąć ukrytych wad.).

Twardość drewna.

Twardość drewna jest to opór, jaki stawia drewno ciałom wciskanym w jego powierzchnię. Twardość odgrywa ważną rolę w obróbce drewna oraz w elementach narażonych na ścieranie. Przekrój poprzeczny drewna wykazuje znacznie większą twardość niż przekroje podłużne. Do badań twardości stosuje się dwie metody: Janki lub Brinella. Najbardziej rozpowszechniona jest metoda Janki. Polega ona na wciskaniu w drewno stalowej kulki o przekroju średnicowym 1 cm². Powierzchnia rzutu wcisku wynosi 1 cm². Wielkość siły, wykazana przez siłomierz maszyny uniwersalnej, określa twardość drewna.

Drzewo ścięte w lesie po okrzesaniu z gałęzi dzieli się na odpowiednie sortymenty. Sortymenty są to materiały o określonym przeznaczeniu, wymiarach i jakości.

Całość drewna użytkowego, wyrobionego w lesie, można podzielić na następujące sortymenty:

- użytkowane w stanie okrągłym

- przeznaczone do obróbki mechanicznej

- przeznaczone do przerobu chemicznego lub fizykochemicznego

PÓŁFABRYKAYT PRODUKOWANE Z DREWNA.

Okleiny. Okleina jest to fornir stosowany do elementów z tarcicy i materiałów płytowych w meblach i innych wyrobach stosowanych w celu uszlachetniania. Okleiny produkowane są obecnie przez skrawanie dzielące. Oznacza to, że podczas ich wytwarzania nie powstają wióry odpadowe. Użyci okleiny umożliwia wytwarzanie wyrobów estetycznych o wysokiej jakości, przy jednoczesnym zaoszczędzeniu cennych gatunków drewna.

Sklejka. Sklejką nazywa się płyty sklejone z nieparzystej liczby fornirów, których włókna w przylegających do siebie warstwach są do siebie prostopadłe. Taka budowa sklejki umożliwia wyrównywanie odmiennych właściwości fizycznych i mechanicznych drewna, występujących wzdłuż i w poprzek włókien.

Płyty stolarskie. Budowa płyt stolarskich ma głównie na celu wyrównanie naprężeń, związanych z kurczliwością i pęcznieniem drewna, a przez to uzyskanie materiału o zmniejszonej podatności na odkształcenia. Ze względu na wykorzystywanie na środki płyt stolarskich drewna gorszych klas , użycie płyt stolarskich pozwala na oszczędność drewna lepszej jakości.

Płyty wiórowe. Płyta wiórowa jest to płyta wykonana z wiórów spojonych ze sobą klejem pod ciśnieniem. W zależności od rodzaju i ilości kleju, właściwości i położenia wiórów oraz stopnia ich zagęszczenia otrzymuje się płyty o różnych właściwościach użytkowych. Płyty wiórowe użytkowane są głównie do produkcji mebli.

Płyty pilśniowe. Płyty pilśniowe są to płyty wytworzone z włókien drzewnych z dodatkiem lub bez dodatku środków chemicznych. Włókna te przybierają jednak w płycie położenie różnokierunkowe. Płyty te są stosowane w budownictwie jako materiał izolacyjny, w produkcji wyrobów stolarskich.

Bibliografia

J. Szczuka J. Żurowski „Materiałoznastwo przemysłu drzewnego”

J. Prażmo „Technologia i materiałoznastwo dla stolarzy”

1

---