LES ZGRADBA IN LASTNOSTI njegova variabilnost in heterogenost ZGRADBA IN LASTNOSTI njegova variabilnost in heterogenost Željko GORIŠEK Univerza v Ljubljani Biotehniška fakulteta Oddelek za lesarstvo L In 1 lIlTill in| linuimiiii Ljubljana 2009 G^-po © Željko Gorišek Izdal in založil: Oddelek za lesarstvo Rožna dolina, Cesta VI11/34, Ljubljana Biotehniška fakulteta Univerza v Ljubljani Univerzitetni učbenik LES - ZGRADBA IN LASTNOSTI njegova variabilnost in heterogenost avtorja izr. prof. dr. Željka Goriška se uporablja kot študijsko gradivo pri predavanjih in vajah iz predmetov Tehnologija lesa (UNI študij 1. stopnje Lesarstvo) ter Fizika lesa (VS študij 1. stopnje Tehnologije lesa in vlaknatih kompozitov). Izdaja se na podlagi sklepa dekana Biotehniške fakultete prof. dr. Franca Štanparja št. D- 966/09 z dne 2. 6. 2009. CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 674.03(075.8) GORIŠEK, Željko LES : zgradba in lastnosti: njegova variabilnost in heterogenost / Željko Gorišek. - Ljubljana: Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, 2009 246000640 ISBN 978-961-6144-28-5 Recenzenta: Prof. dr. Primož Oven, Prof. dr. Katarina Čufar Odgovorni in tehnični urednik: Željko GORIŠEK Lektorica: Darja Vranjek Tisk: Tiskarna Pleško, d.o.o. Barletova cesta 4 1215 Medvode Vsebina VSEBINA SIMBOLI 7 UVOD 11 ZGRADBA LESA 13 Makroskopska zgradba lesa 16 Mikroskopska zgradba lesa 17 Submikroskopska zgradba lesa 20 Makromolekulama zgradba lesa 25 VARIABILNOST IN HETEROGENOST ZGRADBE LESA 33 Orientacija in potek vlaken - spiralnost 33 Juvenilni (mladostni) les 36 Reakcijski les 40 Notranje ali rastne napetosti 43 Grče 45 GOSTOTA IN POROZNOST 47 Gostota lesa 47 Vlažnost in poroznost lesa 53 VODA V LESU 59 Radialna porazdelitev vode v svežem lesu 59 Sorpcijske lastnosti lesa - sorpcijske izoterme in histereza 63 Termodinamika sorpcije 67 Modeli sorpcije 72 Ravnovesna vlažnost lesa u r 80 Točka nasičenja celičnih sten (TNCS) - metode določanja in pomen 83 KRČENJE, NABREKANJE IN KRČITVENA ANIZOTROPIJA 87 Krčenje in nabrekanje v longitudinalni smeri 92 Krčenje in nabrekanje v tangencialni in radialni smeri - prečna 93 krčitvena anizotropija DIMENZIJSKO DELOVANJE LESA 99 5 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Postopki za zagotavljanje dimenzijske obstojnosti lesa 107 TOPLOTNE LASTNOSTI LESA 117 ELASTIČNOST LESA 121 Elastične deformacije 122 Ortotropnost lesa 124 Vplivni dejavniki na elastične lastnosti lesa 135 VISKOELASTIČNE LASTNOSTI LESA 139 Mehanosorptivno lezenje 148 TRDNOST LESA 153 Vplivni dejavniki na trdnost lesa 154 Določanje trdnosti lesa 159 VIRI 171 Simboli SIMBOLI 51 52 53 W P AL CL G TNCS zunanji sloj sekundarne stene srednji sloj sekundarne stene notranji sloj sekundarne stene bradavičasti sloj primarni sloj amorfni sloj celulozni sloj želatinozni sloj točka nasičenja celičnih sten A površina An = pr/P r = prečna krčitvena anizotropija aj/ag) ASE protikrčitvena učinkovitost bi značilne konstante sorpcijskega modela C c (t) lezna podajnost (specifično lezenje) C r (t) relativno lezenje (lezno število) C konstanta BTE sorpcijskega modela c specifična toplota c„ specifična toplota lesa pri vlažnosti U c 0 prostominski delež suhega lesa brez por c v / delež vlažnega lesa d 0 debelina sloja vode d u relativna gostota D c L H togostna matrika celuloze, lignina in hemiceluloz E(t) relativna sprememba mase, vlažnosti E modul elastičnosti, prožnostni modul, E-modul ali Youngov modul G prosta (Gibbsova) energija G strižni modul H entalpija [m 2 ] [-] [J/kg K] [J/kg K] [m] [-] [-] [Pa] [J/mol] [Pa] [J/mol] 7 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Simboli 9 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA 10 Uvod UVOD Pred drugimi inženirskimi materiali ima les vrsto prednosti, ki ga uvrščajo med najperspektivnejše materiale prihodnosti. Kot naraven biološki material je obnovljiv in nastaja ob blagodejnih učinkih na okolje, v postopkih predelave in obdelave lesa so energijske zahteve mnogo manjše kot pri uporabi nekaterih drugih materialov (cement, kovine ...), proizvodnja je okolju prijazna tako z vidika energijske porabe kot onesnaženja. Les je biološko razgradljiv material, mogoče ga je reciklirati, hkrati gozdovi zmanjšujejo učinek “tople grede” (vezava ogljika). Uporabnost lesa se kaže tudi v zelo ugodnem razmerju med trdnostjo in gostoto, zaradi prijetnega videza in »topline« pa ga uvrščamo med sodobne in aktualne materiale. Zaradi širokega spektra fizikalnih in mehanskih karakteristik različnih lesnih vrst ima les zelo raznoliko uporabnost. Izbira najprimernejšega lesa za določen končni izdelek zahteva vsestransko poznavanje in vrednotenje materiala. Pred končno odločitvijo je za uporabo potrebno proučiti več kriterijev hkrati. Med najpomembnejše sodijo: mesto vgraditve (predvsem zaradi ustrezne trajnosti ali trdnosti lesne vrste), namembnost izdelka, tehnološke lastnosti lesne vrste (obdelavnost, odpornost proti obrabi, trdota, trdnosti), fizikalne lastnosti (dimenzijska stabilnost, toplotna in zvočna izolativnost, elektrostatičnost) in estetske lastnosti (dekorativnost, barva, tekstura). Les je nehomogen, anizotropen in higroskopen material; zaradi svojega biološkega izvora je tudi izredno variabilen ter se v postopkih predelave in obdelave odziva specifično, kar narekuje dobro poznavanje njegovih lastnosti. Izkoriščanje drevja z vse manjšimi premeri, splošna onesnaženost okolja, naraščanje poškodovanja drevja zaradi gozdarske mehaniziranosti in naravnih ujm vpliva tudi na vse slabšo kakovost vhodne surovine v predelavi lesa, zato je poznavanje lesa še toliko pomembnejše. Zelo kompleksna struktura lesa še dandanes ni toliko raziskana, da bi omogočila razvoj nadomestnih materialov, ki bi nudili enako široke možnosti uporabe. Celo najnovejši materiali skušajo slediti specifični strukturi in zgradbi lesa ter tako dosegati boljše lastnosti. Razvijajo se novi polimerni materiali, tudi v kombinaciji z lesom, in tako skušajo pridobiti bistvene prednosti lesa, vendar se hkrati izogniti nezaželenim. 11 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA 12 Zgradba lesa ZGRADBA LESA Les je olesenelo vlaknasto bolj ali manj trajno tkivo rastlin (dreves in grmov), ki nastaja v času sekundarne rasti z delitvijo celic v kambiju. Premer debel, vej in korenin se tako od stržena navzven povečuje. V sekundami rasti lesnih rastlin nastajajo v kambiju z delitvijo navzven tudi celice skorje. Kambij običajno proizvede več celic lesa kot skorje. Lesno tkivo sestavljajo različne vrste celic, ki imajo v živem drevesu prevajalno, mehansko in skladiščno funkcijo, razlikujejo pa se tudi po obliki in velikosti. Lesno tkivo se je evolucijsko razvijalo, zato so nastale tudi velike razlike med drevesnimi vrstami: npr. med primitivnimi iglavci in naprednejšimi listavci. Zaradi značilnega plastnega priraščanja in najrazličnejših rastnih pogojev so znatne razlike v zgradbi med lesnimi vrstami, v okviru iste vrste in tudi v drevesu (Čufar, 2006, Koch, 1985, Zobel in van Buijtenen, 1989): a/ v radialni smeri od stržena proti kambiju, b/ znotraj letne prirastne plasti (branike) in c/ vzdolž debla oziroma po višini drevesa. Lastnosti lesa in možnosti njegove obdelave, predelave in končne uporabe so odraz strukturnih in gradbenih posebnosti, ki se izoblikujejo med rastjo. Drevo v borbi za svetlobo z listno površino smotrno zapolni razpoložljiv prostor in tako oblikuje deblo. Ob prevladujočem vodilnem poganjku in podrejenih stranskih poganjkih nastane ravno deblo. Takšna rast je izrazita pri iglavcih in nekoliko manj izrazita pri javorju, jesenu, jelši in hrastu. Pri prenehanju rasti glavnega poganjka (npr. v primem zakrnelosti terminalnega poganjka ali njegovega poškodovanja) rastejo stranski poganjki hitreje in nadomestijo glavnega. Pri bukvi, hrastu, lipi in vrbi prevzame glavno vlogo en stranski poganjek, pri bezgu pa dva. Oblika drevesa - debla in kasneje hlodovine je odvisna tudi od položaja drevesa v sestoju (sl. 1). Odrasla drevesa, ki rastejo v gospodarskem gozdnem sestoju, imajo omejen prostor, na gozdnih tleh je manj svetlobe, zato imajo visoka valjasta debla s kratko krošnjo in malo vejami in grčami v spodnjem delu. V zahtevnejših rastnih pogojih v gozdnem sestoju sta letni prirastek in delež beljave manjša. Prosto rastoča drevesa (npr. z gozdnega roba, mešanega nižinskega gozda ali travniška drevesa) imajo krošnjo do tal, deblo je stožčasto, veje in grče 13 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA so prisotne po vsej višini debla, večji je delež mladostnega (juvenilnega) lesa, praviloma je več beljave. Slika 1 Oblika in značilnosti (A) polnolesnega in (B) malolesnega debla. Za les je tako značilna plastna oziroma kompozitna zgradba, ki se zrcali na makroskopskem, mikroskopskem, submikroskopskem in makro- molekulamem nivoju (pregi. 1 in sl. 2 in 3). Slika 2 Značilna kompozitna zgradba lesa na (A) makroskopskem, (B) mikroskopskem, (C) sub-mikroskopskem in (D) makro- molekularnem nivoju. 14 Zgradba lesa Na prirastne značilnosti posamezne drevesne vrste vplivajo in jih narekujejo pogoji rasti, vrojene lastnosti drevesne vrste, kakovost rastišča, vrsta in sestava tal, socialni status, preskrba z vodo, klimatske razmere - količina padavin, temperatura, osončenost, vremenske ujme (pozeba, žled, snegolom, mraz ...)• Na hitrost priraščanja pomembno vpliva vodnatost in sestava tal. Na globokih, z vodo in hranilnimi snovmi bogatih tleh se razvije koreninski sistem, ki zagotavlja dobro oskrbo rastlin. Priraščanje nadzemnega delaje hitrejše, branike so širše kot na plitvih skalnih tleh, kjer je, zaradi večje potrebe fotosintetskih produktov v izgradnjo koreninskega sistema, oskrba drevesa skromnejša. Preglednica 1 Posebnosti anatomske zgradbe na makroskopskem, mikroskopskem, submikroskopskem in makro-molekularnem nivoju. ZGRADBA LESA ORIENTACIJA POTEK VLAKEN JEDROVINA, BEUAVA, DISKOLORACDE 1 BRANIKE - DELEŽ RANEGA IN KASNEGA LESA 1 ANOMALN E RASTI (GRČE, REAKCISJKI LES, PORANITVENI LES DELEŽI,OSNOVNE ENOTE POLIMERNA STANJA, FUNKCIJE IN VLOGA CELULOZE, POLIOZ, LIGNINA IN EKSTRAKTIVOV. 15 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Slika 3 Zgradba lesa od vlakna do celuloze (po Siau, 1971). Makroskopska zgradba lesa Pri lesovih zmernega pasu so na prečnem prerezu značilno razporejene prirastne plasti ranega in kasnega lesa, ki tvorijo branike ali letne prirastne plašče. Širine branik ter deleži ranega in kasnega lesa so odvisni od pogojev rasti v posamezni vegetacijski dobi, starosti drevesa, socialnega položaja, sestave tal, preskrbe z vodo in drugih dejavnikov. Za iglavce je značilno, da predstavlja pri hitro priraščajočih drevesih rani les večinoma večji delež od kasnega, zato je gostota iglavcev s širokimi branikami praviloma manjša, kar se odraža tudi v slabših mehanskih lastnostih in nižjih trdnostih. Pri listavcih z venčasto poroznim lesom velja obratna zakonitost; pri hitrejšem priraščanju, ko se tvorijo široke branike, je delež kasnega lesa večji, zato je tudi gostota večja. S priraščanjem drevesa v debelino prevzemajo vlogo prevajanja vode mlajše celice zunanjih novo nastalih plasti - beljava, osrednji del debla pa se izsušuje in pri mnogih vrstah ojedri. Na meji med beljavo in jedrovino se pojavi sušina, v kateri potekajo ojedritveni procesi, ki vplivajo na lastnosti jedrovine (Torelli, 1974). Pri nekaterih vrstah ob ojedritvi pride do očitnih barvnih sprememb (npr. macesen, bor, hrast, brest, robinija, domači kostanj, oreh, češnja in drugi), takrat 16 Zgradba lesa jedrovino imenujemo čmjava. Za smreko in jelko je značilna neobarvana jedrovina z drugačnimi fizikalnimi lastnostmi kot jih ima beljava. Jedrovina se razširja stožčasto oz. elipsoidno po deblu. Zelo pomemben učinek jedrovinskih snovi se kaže na biološki odpornosti oz. trajnosti, manjši higroskopnosti in nekoliko manjšem krčenju jedrovine v primerjavi z beljavo. Pri nekaterih vrstah se tvorijo v osrednjem delu debla obarvanja - diskoloracije (npr. rdeče srce pri bukvi, rjavo srce pri jesenu in topolu ipd.), z manj razlikami v fizikalnih lastnostih od beljave kot jedrovina (Torelli, 1974, 1984). Juvenilni (mladostni) les nastaja z delovanjem mladega kambija in je po zgradbi podoben lesu iz območja krošnje. Ta les ostane preraščen v osrednjem delu debla. Juvenilni les se anatomsko razlikuje od zrelega - adultnega lesa, kar vpliva tudi na njegove - v glavnem slabše - fizikalne in mehanske lastnosti, zato se ga med predelovalnimi postopki izogibamo. Območje juvenilnosti z območjem okoli stržena se bolj ali manj cilindrično razteza po celotni višini debla in v praksi sovpada z izrazom »srce«. Mikroskopska zgradba lesa Lesno tkivo se je evolucijsko razvijalo, zato so nastale tudi velike razlike med drevesnimi vrstami (grobo npr. ločimo primitivne iglavce od naprednejših listavcev). Osnovno tkivo lesa izgrajujejo vlaknaste celice (vlakna), to so podolgovate celice z različno debelino stene in širino lumnov ter različno stopnjo redukcije obokanih pikenj, po katerih jih glede na evolucijski razvoj ločimo na traheide, vlaknaste traheide in libriformska vlakna. V osnovnem tkivu so vključeni ostali elementi: trakovni in aksialni (osni) parenhim, traheje idr. Traheje in vlakna zgubijo protoplast takoj po razvoju sekundarne stene, izjemoma so za nekatere vrste značilna tudi »živa vlakna«. Pri iglavcih je osnovnega tkiva iz traheid do 96 % lesa. Te potekajo bolj ali manj vzdolžno, t.j. vzporedno z drevesno osjo - ravna rast. Na trakovno tkivo odpade največ 12 % delež, medtem ko je aksialnega parenhim praviloma malo (le nekaj odstotkov) (sl. 4 in pregl. 2-4) (Grosser, 1977). Osnovno tkivo listavcev izgrajujejo vlakna z različnimi stopnjami razvoja. Vlakna običajno predstavljajo 35 % do 75 % vseh tkiv. Delež trahej variira med 4 % in 39 %, medtem ko je parenhimskega tkiva od 7 % do 29 % (izjemoma pri balzi do 74 %). Na splošno je parenhimskega tkiva pri listavcih bistveno več kot pri iglavcih (sl. 5 in pregl. 5) (Grosser, 1977). 17 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Preglednica 2 Volumenski deleži osnovnih tipov celic pri iglavcih in listavcih. Preglednica 3 Osnovna vloga lesnih celic. Preglednica 4 Orientacijske velikosti lesnih celic. 18 Zgradba lesa Slika 4 Celični elementi iglavcev: A - traheida ranega lesa; B - traheida kasnega lesa, C - trakovna parenhimska celica; D - trakovna traheida; E — aksialna parenhimska celica; F - epitelna celica (po Grosser, 1977). Slika 5 Značilni celični elementi listavcev: A - libriformsko vlakno; B - septirano vlakno; C - vlaknasta traheida; D - trahejni člen; E - vaskularne traheide; F - vazicentrične traheide; Gl - vzdolžni parenhim; G2 - fuziformni parenhim in G3 - trakovni parenhim (po Grosser, 1977). 19 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Preglednica 5 Gostota, povprečne dimenzije in deleži elementov nekaterih naših iglavcev in listavcev. Submikroskopska zgradba lesa Večplastno zgradbo prepoznamo tudi na submikroskopskem nivoju celične stene vlaken (pregl. 6). Tanki primarni steni, ki jo težko ločimo od srednje lamele, sledi proti notranjosti večslojna (najpogosteje 3 slojna) sekundama stena, medtem ko notranja terciarna stena in/ali bradavičasti sloj velikokrat tudi izostaneta. Struktura posameznih slojev variira od prečno vezanih polimerov brez fibril (npr. srednja lamela) do blizu skupaj potekajočih plasti s spiralno usmerjenimi fibrilami z različnimi odstopanji od vzdolžne orientiranosti. 20 Zgradba lesa Mikrofibrile sestoje iz vzporednih celuloznih molekul z zaporedno izmenjavajočimi območji visoke ali nekoliko nižje kristaliničnosti in amorfnih področij. Obdane so z matričnim slojem polioz in lignina. (sl. 6) Ce se v osnovni strukturi pojavijo prečkanje trakov, piknje, plastne neskladnosti, prazni medcelični prostori, produkti sekundarnih dogajanj, predhodne razpoke v slabotnejših plasteh, predstavljajo ta mesta možnost koncentracije notranjih napetosti. Primarna celična stena (P) kot edina obdaja celično vsebino na začetku diferenciacije. Sestavljajo jo pribl. 25 % celuloze v neurejenih in razmaknjenih mikrofibrilah, 40 % pektina, 25 % polioz in 10 % beljakovin. Celulozne molekule so razporejene tako, da omogočajo predvsem močno izraženo vzdo lžn o rast celice. Primarni steni dveh sosednjih celic in izotropna, plastična pretežno ligninsko-pektinska srednja lamela, se optično zelo težko ločijo, zato vse tri skupaj imenujemo združena srednja lamela. Skupno dosežejo sloji debelino do 1 pm. Slika 6 Submikroskopski nivoji zgradbe tipičnega vlakna: P - primarna celična stena, Sl - zunanji sloj sekundarne stene, S2 - srednji sloj sekundarne stene, S3 - notranji sloj sekundarne stene in W— bradavičasti sloj. V notranjost lumna (t.j. v centripetalni smeri) se po zaključeni rasti celice naložijo še sloji sekundarne stene (S). Tik ob primarni steni se odloži 0,2 pm do 0,5 pm (v kasnem lesu tudi do 1,0 pm) debel zunanji sloj (Sl), ki ga z izmenjavajočim Z in S heliksom pod kotom 60° do 80° glede na os vlakna 21 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA izgrajuje več (2 do 4) lamel. Po prehodnem sloju (S 12) sledi najdebelejši srednji sloj sekundarne stene (S2). V ranem lesu je njegova debelina 1 pm do 2 pm, v kasnem lesu pa 3 pm do 8 pm, tako da predstavlja 60 % do 80 % celotne celične stene. Mikrofibrilni kot je v adultnem lesu do 10°, v juvenilnem pa do 30°. Še večji kot je značilen za kompresijski les (tudi nad 45°). V vseh kategorijah lesa se fibrile ovijajo desnosučno (»Z« heliks) z nekoliko večjimi odstopanji v radialni steni. S2 izgrajuje 30 do 150 lamel. Najbližji lumnu je notranji sloj sekundarne stene (S3), debeline 0,1 pm do 0,2 pm, mikrofibrile potekajo v »S« heliksu skoraj prečno na vzdolžno celično os. Debelina S3 je največja na ogliščih ter najmanjša na pikenjskih obokih. Zgradba in debelina notranjega sloja sta pomembni z vidika stabilnosti in fiziološke funkcije v še stoječem drevesu. Posebno v visokih drevesih nastane v lumnih velika kapilarna tenzija, ki omogoča transport vode iz koreninskega sistema v krošnjo. S3 sloj z značilno fibrilno orientacijo zmanjšuje vpliv tenzije na S2, ki ima prevladujoč potek mikrofibril vzporedno z osjo celice. Lumni ostanejo tako tudi pri veliki tenziji odprti in dovoljujejo zadosten masni tok proste vode. Notranji sloj sekundarne stene (S3) lahko deluje tudi kot prepreka (bariera) pri biološki razgradnji (mikroorganizmom, encimom med kolonizacijo in razpadom) in pri tehnoloških postopkih kot so zaščita, modifikacija, razvlaknjevanje. Pomembnost S3 sloja se povečuje z njegovo lignifikacijo, posebno še pri določenih lesnih vrstah (npr. Pinu.s radiata ). Pri iglavcih in pri lesu evolucijsko manj razvitih listavcev celično steno zaključuje bradavičasti sloj (W) iz lignina in polioz ali pa morda predstavlja med tonoplast in plazmalemo vključene ostanke celičnih organelov. Preglednica 6 Relativna debelina, mikrofibrilni kot in število slojev v vlaknih (traheidah) iglavcev (Fengel in fVegener, 1984, Hon,in Shiraishi, 2001 ). 22 Zgradba lesa Celična stena trahejnih členov je zgrajena nekoliko drugače; primarna stena je zgrajena lamelno, kjer je zunanji sloj s prečno orientacijo, srednji s slučajno razporeditvijo in notranji s prečno večlamelno strukturo. Za sekundarno steno je značilnih več gradbenih tipov: > tip 1. tipična triplastna struktura z debelejšima Sl in S3 slojema, > tip 2. neplastna struktura s položnim heliksom in > tip 3. večplastna struktura s spreminjajočim se heliksom. V strukturi celičnih sten parenhimskega tkiva iglavcev se pojavlja več značilnih tipov, med katerimi sta dva prevladujoča (sl.7). > Pri prvem prevladujočem tipu je primarna stena večslojna. V zunanjem sloju (Pl) so mikrofibrile vzporedne z osjo celice; sledi srednji sloj z mrežasto strukturo in prepletenimi mikrofibrilami, tretji sloj (P3) pa je večlamelni z izmenjavajočim potekom mikrofibril pod kotom 30° do 50°. Primarni steni sledi še zaščitni sloj s slučajnim prepletom mikrofibril. > Tudi pri drugem tipu je primarna stena večslojna z različnimi orientacijami mikrofibril. Sekundarno steno sestavljata debelejša sloja z različno orientacijo heliksa. Na lumen meji zaščitni sloj. Primarna stena in notranji zaščitni sloj se formirata v beljavi, na meji z jedro vino pa se naložita še sekundarna stena in notranji zaščitni sloj. > Slika 7 Dva prevladujoča tipa zgradbe celične stene parenhimskega tkiva iglavcev. A - Pl - mikrofibrile vzporedne z osjo celice, P2 - mrežasta prepletenost mikrofibril in P3 večlamelna zgradba z izmenjavajočim potekom fibril. B - P - večslojna primarna stena z različno orientacijo mikrofibril, S - odebeljena sloja sekundarne stene z nasprotnima heliksoma. (po Hon & Shiraishi, 2001 ) Pri listavcih je za stene trakovnih parenhimskih celic značilna večplastna zgradba iz izotropnega in zaščitnega sloja. Stene imajo visoko vsebnost hemiceluloz, pektina in celuloznih mikrofibril ter postanejo bogate z ligninom, ko se odloži notranja sekundama stena. Zgradba sten celic vzdolžnega parenhima 23 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA je dvokomponentna iz lignificiranega celuloznega sloja (CL) in amorfnega sloja (AL), s prevladujočimi tremi tipi organizacije (sl. 8): > (3CL), > (3CL + AL) in > (3CL + AL + iCL). Slika 8 Značilna dvokomponentna zgradba celičnih sten parenhima listavcev (CL - celulozni sloj; AL - amorfni sloj). Drugi tip je značilen za paratrahealni parenhim z veliko piknjami s trahejnim omrežjem. Značilna kompozitna zgradba celičnih sten se formira že v času diferenciacije celic. Po nastanku novih celic v kambijevi coni se nadaljuje njihova rast v radialni smeri, ki povzroči tudi stanjšanje radialnih sten in povečanje mikrofibrilnega kota. Poleg primarne stene se navznoter začne odlagati sekundama stena. V drugem delu se aktivno odlagajo celulozne mikrofibrile v vseh slojih sekundarne stene Sl, S2 in S3, medtem pa se na zunanjih delih celične stene (srednji lameli in primarni steni) že začenja lignifikacija, ki ima pomembno vlogo pri stabilizaciji velikosti in medsebojnem razporedu sosednjih diferencirajočih celic. Polioze se sintetizirajo za nastankom celuloznih fibril. Sledi lignifikacija sekundarne stene. Z lignifikacijo doseže stena ustrezno togost. V zaključnem delu se lahko proti lumnu odloži še bradavičasti sloj, helikalne odebelitve ipd. Na koncu diferenciacije citoplazma avtolitsko razpade, celica pa je sposobna začeti izvajati naloge v zrelem sekundarnem ksilemu. Diferenciacija po oceni traja približno tri tedne. 24 ZGRADBA LESA Makromolekularna zgradba lesa Celična stena sestoji iz treh osnovnih makromolekuranih spojin: ogrodne celuloze, matriksnih polioz in inkrustiranega lignina, ki nastopajo po posameznih slojih celične stene v različnih deležih (sl. 9). Manjši delež predstavljajo še pektin, beljakovine in škrob ter snovi z nižjo molekulsko maso kot so ekstraktivi in mineralne snovi (pregl. 7). Osnovna ogrodna sestavina celične stene je celuloza (C 6 H|o0 5 ) n , ki se pojavlja pri iglavcih in listavcih v približno enakem deležu. Celulozne molekule sestavljajo p-D-glukozne enote, medsebojno vezane z 1,4-p-glikozidnimi vezmi, ki omogočajo formiranje dolgih linearnih molekul (sl. 10). Število glukoznih enot v celulozni verigi (stopnja polimerizacije - DP degree of polymerisation) je v primarni steni med 2000 in 4000, v sekundarni steni pa do 10000, kar pomeni, da lahko molekula doseže dolžino do 5 pni (sl. 11). Vsaka glukozna molekula ima tri proste polarne hidroksilne skupine (eno primarno in dve sekundami), ki omogočajo vzpostavljanje šibkejših Van der Waalsovih ali nekoliko močnejših vodikovih vezi (sl. 12). V plazmalemi, ki je sestavljena iz več polipeptidnih podenot, nastaja istočasno več molekulskih verig, tako da kristalizacija poteka spontano z agregiranjem. Slika 9 Deleži celuloze, polioz (hemiceluloz) in lignina v posameznih slojih celične stene (M - srednja lamela, P - primarna stena, Sl, S2 in S3 -sloji sekundarne stene), (po Panshin & de Zeeuw, 1980) 25 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Slika 10 Celulozno verigo tvorijo glukozne enote, povezane medsebojno z 1-4 P glikozidno vezjo. Preglednica 7 Deleži, stanje, osnovne enote in vloga osnovnih makromolekularnih komponent lesa (Dinwoodie, 2000). Vzporedne celulozne molekule se prečno medsebojno ne povezujejo s kovalentnimi vezmi, ampak tvorijo kompleks dokaj močnih vodikovih in nekoliko šibkejših van der Waalsovih vezi ter izkazujejo monoklinsko kristalizacijo. V kristalnem deluje celuloza zgrajena iz ponavljajočih se osnovnih enot celobioze (glukozni enoti, vezani z l,4-(3-glikozidno vezjo) dolžine 1,03 nm. Osnovna celulozna polimerna veriga se nahaja v sredini prizme, na ogliščih pa se nahajajo še štiri. Vsaka glukozna enota tvori dve notranji (intra) molekulami vodikovi vezi (med OH-3 ( i) in 0-5 {2 ) ter OH-6 ( i) in OH-2 (2 )) in eno med- (inter) molekularno, ki je približno pravokotna na vzdolžno os (med OH-6 in OH-3). Velikost kristalitov je 5 nm do 10 nm x 3 nm do 4 nm x 30 nm do 60 nm. 26 ZGRADBA LESA Stopnja kristaliničnosti celuloze je približno 60 %, tako da se kristalna območja menjavajo z amorfnimi, v katerih so prečne vezi med celuloznimi molekulami šibke. Usmerjena kristalna območja različnih dolžin in širine pribl. 100 nm imenujemo mikrofibrile. Ena molekula celuloze prehaja preko več kristalnih in amorfnih področij (sl. 12). Vlaknasta in plastna struktura ter močne vodikove vezi dajejo celulozi v vzdolžni smeri veliko natezno trdnost in slabo topnost v topilih. Slikali Monoklinska kristalna celulozna rešetka (po Mayer in Misch, 1937 iz Bosshard, 1974). Slika 12 Molekula celuloze prehaja preko več »urejenih« kristalnih (K) in »neurejenih« amorfnih (A) področij. 27 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Polioze ali hemiceluloze so nizkomolekulami polisaharidi (iz 50 do 400 pentoznih in/ali heksoznih sladkornih enot). V primerjavi s celulozo so molekule precej krajše z nizko stopnjo kristalizacije in vejnato strukturo. Razlikujejo se tudi v sestavi, so iz različnih sladkornih enot. Celuloza in polioze so medsebojno vezane z vodikovimi in van der Waalsovimi vezmi, močnejše kemične (kovalentne) vezi pa nastajajo med ligninom in poliozami (preko vej arabinoze, ksiloze in galaktoze). Pri iglavcih (sl. 13 A) zasledimo z naj večjim deležem galaktoglukomanan (15 % do 20 %) in ksilan (do 10 %) z metilglukuronsko kislino (1 : 5) in arabinozo (1 : 7). Pri listavcih (sl. 13B) prevladujejo verige ksilana (25 % ± 5 %, pri brezi do 35 %), na katere so v neenakomernih intervalih vezane 4-O-metilglukuronska kislina (pribl, v razmerju 10 : 1), več OH skupin pa je zamenjano z O-acetilnimi skupinami. Stopnja polimerizacije je med 100 in 200. Z manjšim deležem so prisotni še glukomanan (v razmerju 1 : 2), ramnoza in galakturonske kisline. A xyi p\ 2(3) t Acetyl 4 13 - D - Xyl p 1 4 (3 - D - Xyl p 1 -> 2 T 1 4-O-Me-a-D-Glcp/l 4 6 ■ Xyl p 1 A S - D - Glcp 1 -> 4 13 - D - Man p 1 -> 4 (3 - D - Glcp 1 -> 4 13 - D - Man p 1 -> 4 6 2(3) T T 1 Acetyl a-D-Gal/? B 13 - D - Xylpl f4 B - D - Xyl p 1 2 t 1 4-0-Me-a-D-GIC/tt4 4 B - D - Xyl p 1 -> 4 B - D - Xyl p 1 -> 4 3 ► t 1 , a-L-Araf Slika 13 Zgradba polioz pri A - iglavcih in B - listavcih (Xyl - ksilan, Glc - galaktan, Man - manan ) (Siau, 1984) 28 Zgradba lesa Lignin je tridimenzionalni aromatični polimerni kompozit iz treh osnovnih fenilpropanolnih enot (a/ R, R’ = H - p-kumarilni alkohol; b/ R = OCH3, R’ = H - koniferilni alkohol in c/ R, R’ = OCH3 - sinapilni alkohol) (sl. 14). Je inkrustriran med interfibrilne prostore celične stene, nahaja se še v medceličnih prostorih. Pri iglavcih je vsebnost lignina 23 do 33 % oziroma izjemno visoka pri kompresijskem lesu (od 34 % do 41 %), medtem ko gaje pri listavcih zmernega pasu manj (od 16 % do 25 %), v tropskih lesovih pa več (od 20 % do 32 %). Lignifikacija se prične v celičnih ogliščih, ko se konča površinska rast celice in pred začetkom nastanka sekundarne stene. V srednji lameli in primarni steni se najprej lignificirajo tangencialne stene, lignifikacija pa se nato nadaljuje v centripetalni smeri. Lignifikacija združene srednje lamele in kasneje tudi sekundarne stene ter diferenciacija slojev sekundarne stene poteka vzporedno. Lignifikacija sekundarne stene se pospeši po nastanku notranjega sloja sekundarne stene. Inkrustacija lignina je zaključena za sintezo celuloze in polioz. Za srednjo lamelo je značilna velika koncentracija lignina; v sekundami steni je nizka, vendar pa se ga nahaja zaradi debeline stene 70 % prav v njej. Slika 14 Osnovne enote lignina sestavljajo fenil propanske enote. Za iglavce so značilne gvajacilne enote lignina, ki nastajajo pri polimerizaciji koniferilnega alkohola, za listavce pa je značilni gvajacilni-siringilni lignin kot kopolimer koniferilnega in siringilnega alkohola. Kompresijski les vsebuje poleg gvajacilnih enot še povečan delež p-hidroksifenila. Značilnost nastajanja in priraščanja celične stene se zrcali tudi v njeni plastni strukturi ter značilni povezavi osnovnih makromolekulamih komponent celuloze, polioz in lignina (sl. 15 in sl. 16). 29 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Slika 15 Model inkrustacije lignina v plastno strukturo celuloznega skeleta. (Boyd, 1977) Slika 16 Modeli plastne strukture fibril (po Fengel in Wegener, 1984). Ekstraktivne snovi se nahajajo v celičnih lumnih in celičnih stenah. Njihov delež je običajno majhen vendar značilno prispevajo k barvi, vonju, biološki odpornosti lesa ipd. Najpomembnejši so polifenoli in terpeni; npr. tanini, flavoantocianini, katehini in lignani (pregl. 8). Med ekstraktivi se pojavljajo še maščobe in njihove kisline, voski in hlapljivi ogljikovodiki. Anorganskih snovi vsebuje les le nekaj desetink odstotka z največjim deležem kalcija, kalija in magnezija. Pogosti so romboidni kristali kalcijevega oksalata, pri tropskih vrstah pa se lahko v večjih količinah pojavlja tudi silicijev dioksid. 30 Zgradba lesa Preglednica 8 Osnovni razredi ekstraktivnih snovi (Ressel, 20007). 31 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA 32 Variabilnost in heterogenost lesa VARIABILNOST IN HETEROGENOST ZGRADBE LESA Velika variabilnost in heterogenost zgradbe lesa se kaže na fizikalno-mehanskih karakteristikah in seveda tudi na uporabnosti lesa. Med najvplivnejšimi zgradbenimi posebnostmi so (Zobel in van Buijtenen 1989): > orientiranost vlaken z zavito (spiralno) ali menjaje zavito oz. izmenično prepleteno rastjo; > čas nastanka lesa (juvenilni - mladostni in adultni - zreli les); > reakcijski les - tenzijski pri listavcih in kompresijski pri iglavcih; V rastne napetosti; > hitrost priraščanja (širina branik in razmerje med deležem ranega ter kasnega lesa; razmerje med deležem beljave in jedrovine); V grče in > biološke anomalije ter mehanske poškodbe. Orientacija in potek vlaken - spiralnost Orientacijo vlaken zaznamujemo s pojavom, ko potekajo osna vlakna in tudi drugi elementi v drugačni smeri od osi debla, korenin ali vej (Noskowaik, 1963). Opredeljena je s smerjo in velikostjo kota rotacije vlaken v tangencialni ravnini glede na stržen ali vertikalno os debla. Potek aksialnih elementov najpogosteje sledi obliki spirale, nenavadna ni niti zavita in izmenično prepletena rast, saj se v kambiju novo nastali aksialni elementi lahko med diferenciacijo različno odklonijo (sl. 17 in sl. 18). V nobenem drevesu ni potek rasti idealno vzporeden z njegovo osjo, odkloni variirajo od 0° pa do 30° v eno ali drugo smer, v izjemnih primerih tudi skoraj do 90°. Elementi lesa in skorje so podobno orientirani, ker skoraj istočasno nastajajo iz istih fuziformnih kambijevih inicialk. V radialni smeri se elementi med rastjo ne odklanjajo. Odklon vlaken pri žaganih elementih pa nastane zaradi značilnega razžagovanja, ko obdelavnostna ravnina ne sovpada z anatomsko (sl. 19). Pri spiralni rasti drevesa ali debla govorimo o levosučni oz. desnosučni rasti, pri lesu pa govorimo o poteku aksilanih elementov z odklonom na levo oz. desno od referenčne osi (običajno smeri stržena). Večina iglavcev vsebuje spiralno rast, katere smer in kot variirata s starostjo drevesa in položajem vzdolž debla. V ravnih deblih so lesna vlakna ob strženu 33 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA večinoma vzporedna z osjo debla, prve branike ob strženu imajo manjšo spiralno rast, ki je najpogosteje levosučna skozi deblo, nato se levosučna spiralnost navadno še povečuje in kulminira v naslednjih deset do dvajset branikah (Tremblay, 1995). Spiralnost se v adultnem obdobju postopoma zmanjšuje in lahko zavzame različne vzorce: ostane pretežno levosučna, lahko postopoma s premerom pada ali pa postane celo desnosučna in v starejših deblih celo prevladuje (Haukal, 1982). A B Slika 17 A - Levosučni spiralni potek vlaken na tangencialni ravnini in B - tipični odklon vlaken pri iglavcih z značilno levosučnostjo v juvenilnem obdobju in prehodom celo v desnosučnost v adultnem lesu. a b c d Slika 18 A- Značilni vzorci poteka vlaken kot posledica rasti: a) premi ali ravni potek; b) spiralni potek; c) vzvalovani (valovit) potek; d) izmenično spiralni potek. 34 Variabilnost in heterogenost lesa Slika 19 Diagonalni potek vlaken zaradi (A) priraščanja ali (B) razžagovanja. Pri listavcih je variabilnost lesnih lastnosti večja kot pri iglavcih, večja je tudi pestrost v pogledu poteka aksialnih elementov. V nekaj prirastnih plasteh ali celo v krajših periodah se lahko orientacija tudi obme. Prevladuje mnenje, da je spiralna rast pri mnogih vrstah podedovana, nekatera opazovanja pa kažejo zanemarljiv vpliv genetskega nadzora nad spiralnostjo. Spiralno rast pripisujemo še vzajemnim vplivom vetra, rotaciji zemlje, poškodbam, električnim in magnetnim poljem, delovanju vzvoda vej, izpostavljenosti delovanja sonca in lune ali pa intruzivni apikalni rasti aksialnih elementov. Spiralna rast ima pomembno vlogo v preskrbi drevesa z vodo, saj se zaradi nje voda iz katerekoli korenine porazdeli po vsej krošnji. Odklon in smer odklona se lahko menja od ene do druge prirastne plasti, kakor tudi znotraj nje navzgor po drevesu. Z delitvijo fuziformnih kambijevih inicialk nastajajo centripetalno ksilemske celice in centrifugalno floemske celice. Obe vrsti derivatov obdržita podobno orientacijo, zato je spiralna rast prisotna tudi v skorji in ima podoben rezultat kot v lesu. Fotosintetski produkti iz določene veje se porazdelijo po deblu in dosežejo več korenin. Njihova razporeditev ni tako enakomerna kot je porazdeljena voda iz dveh razlogov: (a) transport hrane je omejen na tanko plast floema, nastalega v zadnjih dveh sezonah in (b) zaradi povečevanja premera debla je spiralnost premalo izrazita. Z vidika preživetja drevesa je neenakomerna distribucija asimilatov neproblematična, saj lahko korenine nadaljujejo življenje s 35 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA predhodno skladiščeno zalogo tudi po mesecih ali celo letih, medtem ko brez vode odmro že v nekaj dneh. Spiralna rast uravnoveša neenakomerno preskrbo z vodo in hrano, zato so drevesa v neugodnih razmerah nagnejna k izrazitejši spiralni rasti. Povečana spiralnost naj bi se v nekaterih primerih pojavila tudi pri izrazito ugodnih življenjskih razmerah. Prekinitev preskrbovalnih poti (poškodbe) izzovejo reorientacijo fuziformnih inicialk, saj lignificirane ksilemske in floemske celice ne morejo spremeniti smeri, ker so že nekaj tednov po formiranju trdno vklopljene v sosednje plasti. Spiralna rast je normalni rastni vzorec mnogih drevesnih vrst, ki spremenijo potek rasti le enkrat v življenju. Pri smreki in jelki se je izkazalo, da rasteta levosučno spiralno v mladosti in se kasneje nagibata k desnosučnosti. Spiralna rast v glavnem zmanjšuje mehanske lastnosti in predvsem povečuje zvijanje lesa ob spremembah njegove vlažnosti, povzroča pa tudi probleme pri uporabi proizvodov iz sestavljenega lesa. Najmočnejši vpliv spiralne rasti se realizira med postopkom sušenja, ko se pri žaganem lesu s poševnim potekom vlaken tangencialna komponenta krčenja prenaša na vzdolžno smer elementov. Prisotni odkloni rasti ob vejah, grčah, vozlastih nabreklinah in ostalih rastnih posebnostih še povečajo nevarnost zvijanja. Zaradi plagiotropične lege vej se značilno odstopajoči potek vlaken kaže tudi v grčah, ki prispevajo k splošni deorientaciji osnovnega lesnega tkiva v deblu. Juvenilni (mladostni) les Juvenilni les nastaja v mladem drevju ali pri starejšem v območju krošnje. Kambij je takrat mlad in ima ponavadi krajše fuziformne inicialke, razdalja med kambijem in popki oz. listi je majhna, kar omogoča dobro preskrbo z asimilati in rastnimi snovmi (Larson, 1969). Adultni, zreli les nastaja, ko se zaradi rasti drevesa pomakne krošnja navzgor in upade vpliv apikalnih meristemov na kambijevo cono (sl. 20). Adultni les je les z "normalno" zgradbo, t.j. z relativno stabilnimi dimenzijami elementov in stabilnimi lastnostmi. Nasprotno lastnosti lesa znotraj juvenilnega območja niso enotne, so zelo variabilne in se od stržena navzven hitro spreminjajo (Zobel in van Buijtenen, 1989). V tehničnem smislu traja juvenilno obdobje, dokler vlakna ne dosežejo "normalne" t.j. maksimalne dolžine, po biološki definiciji pa je omejeno juvenilno obdobje s prvim cvetenjem in semenenjem (Kučera 1994; Bensten, 1986; Wasniewski, 1989). Juvenilno obdobje se pri nekaterih lesovih konča dokaj hitro in odrezano, pri drugih je prehod v adultnost postopen. Navadno traja prvih 10 do 20 let kambijeve aktivnosti, lahko pa le 5 ali celo 60 let. Zdi se, daje 36 Variabilnost in heterogenost lesa starost kambija, pri kateri dosežejo traheide maksimalno dolžino, povezana z življenjsko dobo drevesne vrste. Tako nekatere dolgo živeče drevesne vrste, kot je npr. obalna sekvoja (Sequoia sempervirens (D. Don.) Endl.), dosežejo maksimalno dolžino traheid med 200. in 300. letom starosti. Slika 20 Razporeditev starostnih kategorij lesa v drevesu. Tvorba juvenilnega lesa in njegov prehod v adultni les sta tudi genetsko pogojena, na njegov nastanek pa vplivajo tudi lega, klimatski pogoji ter gospodarjenje z gozdom. Pri zastrtih drevesih iz gospodarskih sestojev zavzema juvenilni le do 20 % debla, pri prevladujočem pa približno 40 %, kar kaže na vpliv socialnega položaja drevesa na obseg juvenilnosti. Na daljši čas nastajanja juvenilnega lesa naj bi vplivalo tudi redčenje, gnojenje (predvsem z dušikom), širok razmak med drevesi in drugi gozdarski posegi. Juvenilno obdobje spremlja dokaj hitra sprememba anatomskih, fizikalnih in kemičnih lastnosti, kar se kaže tudi v uporabnosti juvenilnega lesa. Trajanje juvenilnega obdobja pri iglavcih lahko ocenjujemo s spreminjanjem dolžine traheid oziroma tudi z drugimi lastnostmi lesa; mehanske lastnosti in gostota lesa dosežejo stabilne vrednosti nekoliko prej (po oceni do 15. leta), medtem ko traheide dolžinsko kulminirajo nekoliko kasneje (do 20. leta), še kasneje se zmanjša nagnjenost vlaken (pribl, do 30. leta). Juvenilnost, izražena z 37 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA razlikami med dolžino juvenilnih in adultnih vlaken, je pri iglavcih mnogo bolj poudarjena kot pri listavcih - zlasti pri evolucijsko naprednejših. Juvenilno obdobje lahko omejimo tudi z letom, ko drevo doseže maksimalni višinski prirastek, takrat začne kambij na bazi drevesa (prsna višina) tvoriti normalen - adultni les. Glede na pogoje rasti kulminira višinski prirastek pri smreki med dvajsetim in tridesetim letom starosti drevesa. Ostrega prehoda med starostnima kategorijama ni, zato govorimo o prehodnem obdobju (pribl, od 20. do 25. branike), ko se ustalijo dolžina vlaken, gostota lesa in ostale fizikalne lastnosti lesa. S stališča primerjave juvenilnega in adultnega lesa je prav gotovo najzanimivejša obravnava različnosti lesnih lastnosti v smeri od stržena proti kambiju. Odvisno od starosti pri smreki in jelki ločimo odbobje hitrega povečevanja rasti aksialnih traheid, ki traja do 10. leta in ga označimo kot mlajše juvenilno odbobje. Med 10. in 30. letom je povečanje dolžine traheid razločno, vendar ne tako intenzivno kot prvih deset let; v tem času pa so vidni tudi občasni odkloni. Velike razlike so v dolžini traheid med drevesnimi vrstami in znotraj njih je mogoče pripisati prirastnim razlikam na rastišču, socialnemu položaju in gojitveni praksi. Po 30. letu se podaljševanje traheid še nadaljuje, vendar počasneje in z odkloni navzgor ali navzdol. Na osnovi meritev ugotavljamo, da ima v splošnem smreka daljše traheide od jelke. Pri iglavcih se povečuje debelina sten pri traheidah od stržena proti periferiji. Po podatkih za bore, araukarijo in kriptomerijo naraste debelina celičnih sten v kasnem lesu od 15 % do 70 % že do 30. leta starosti. Porast debeline celičnih sten v ranem lesu je manjša. Mikrofibrilni kot v stenah traheid je obratno sorazmeren z njihovo dolžino; s porastom dolžine traheid se mikrofibrilni kot zmanjšuje (Panshin in DeZeeuvv, 1980). Za iglavce navadno velja, da od stržena navzven gostota absolutno suhega lesa hitro narašča, nato sledi krajše prehodno obdobje, katerega nadomesti bolj ali manj uravnovešena gostota lesa proti periferiji (Zobel in van Buijtenen, 1989). Prav gotovo prispevajo k veliki variabilnosti tudi razlike znotraj prirastnih plasti (rani les - kasni les!) in razlike v širini branik, če drevo ne prirašča enakomerno. Najpogostejši trend porazdelitve gostote v radialni smeri je pri hitro in počasi rastočih drevesih podoben, tudi povečanje gostote je neodvisno od hitrosti rasti. Osnovna gostota narašča od centra proti periferiji na vseh višinah debla, vendar 38 Variabilnost in heterogenost lesa močneje na bazi drevesa kot višje. Navedene zakonitosti veljajo splošno , seveda pa je veliko izjem in posebnosti. Za smreko in jelko splošno velja, da imata višjo osnovno gostoto ob strženu, ki nato v nekaj branikah pada, čemur sledi bolj ali manj enakomerno in počasno naraščanje proti skorji. Za juvenilni les so značilni tudi večji odkloni vlaken oz. spiralnost, ki s starostjo drevesa in položajem vzdolž debla variira. V mladostnem obdobju je največkrat povečan tudi delež reakcijskega lesa, ki še dodatno vpliva na nenormalno strukturo. Odstopajoča struktura v drevesu, zlasti značilna za mladostno - juvenilno obdobje, se kaže tudi na fizikalnih in mehanskih lastnostih, ki omejujejo in otežujejo njegovo uporabo. Odstopanja juvenilnega od adultnega lesa lahko strnemo v naslednjih točkah (sl. 21): ^ Ker ni izrazitega kasnega lesa, so celične stene tanjše, premeri lumnov pa so večji. Posledica je nižja gostota juvenilnega lesa. ^ V juvenilni coni se, zaradi potrebe po intenzivnih reorientacijah osi drevesa, praviloma pojavlja veliko reakcijskega lesa (kompresijskega pri iglavcih in tenzijskega pri listavcih) s slabšimi tehnološkimi lastnostmi. ^ Značilen je velik aksialni skrček, ki je vzrok za veženje lesa. Večje krčenje v vzdolžni smeri je posledica večjega mikrofibrilnega kota in spiralnega poteka, ki sta značilna za juvenilni les. Torej, če je deska odrezana tako, da vsebuje juvenilni les, se bo ta del krčil bolj kot drugi, kar bo povzročilo krivljenje in pokanje, tudi ko bo les v uporabi. ^ Pri iglavcih so traheide mladostnega lesa krajše od traheid zrelega lesa, zato je bistveno manjša predvsem udarna žilavost pa tudi ostale trdnosti. ^ Juvenilni les se razlikuje od zrelega lesa tudi kemijsko; ima več lignina in ksilana ter manj celuloze in galaktoglukomanana. Kemijske razlike imajo na kakovost manjši vpliv kot anatomske. ^ Zaradi svoje centralne lege je vlažnost juvenilnega lesa praviloma nižja kot v perifernem adultnem lesu. Razlog je predvsem fiziološki, saj je periferni del udeležen pri prevajanju vode. Če pa je npr. prisotno mokro srce, vlažnost močno naraste. ^ Spiralni potek vlaken je v juvenilnem lesu večji, kar zmanjšuje mehanske lastnosti in povečuje zvijanje. 39 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA JUVENILNI LES ADULTNI LES Dolžina vlaken, debelina celičnih sten, delež kasnega lesa, gostota, R in T krčenje, trdnost Širina branik, vzdolžno krčenje, spiralnost, gostota grč, delež reakcijskega lesa stržen kambij Slika 21 Povečevanje oziroma zmanjševanje nekaterih anatomskih, fizikalnih in mehanskih lastnosti lesa v juvenilnem v adultnem obdobju (po Bendesten, 1978 ). Reakcijski les Rast rastlin in tudi dreves usmerjajo tudi zunanji dražljaji (tropizem - fototropizem, geotropizem, tigmotropizem, kemotropizem, termotropizem ipd.) med katerimi je za rast rastlin najpomembnejša plagiotropna lega vej, ki omogoča optimalno osvetljevanje listne površine s sončno svetlobo. Kadar je predvidena smer rasti motena, se v času sekundarne (debelitvene) rasti dreves pojavi reakcijski les kot aktivno usmerjevalno tkivo. Reakcijski les se oblikuje kot odgovor na orientacijo debla, ki odstopa od negativne geotropične lege, ki nastane pod vplivom asimetrične oblike krošnje, močnega vetra, snega ali naklona rastišča. Deblo z reakcijskim lesom je ovalno (ekscentrično) z večjim radijem na “reakcijski” strani. Zaradi svoje posebne funkcije v drevesu se zgradba reakcijskega lesa razlikuje od normalnega, drugačne pa so tudi njegove lastnosti, ki se kažejo predvsem negativno pri predelavi in uporabi (Panshin in DeZeeuw, 198 l)(pregl. 9). Reakcijski les večinoma ne nastaja skozi celotno življenjsko obdobje drevesa, ampak se lahko sporadično pojavlja v krajših ali daljših časovnih intervalih. Zelo pogosto ga zasledimo v mladostnem - juvenilnem lesu, ko je drevo še vitko in zunanji dražljaji močneje vplivajo na njegovo odzivnost. Pri iglavcih se 40 Variabilnost in heterogenost lesa reakcijski les tvori na spodnji strani vej ali ukrivljenih debel in ga imenujemo kompresijski les, medtem ko nastane pri listavcih na zgornji strani vej ali debel in ga imenujemo tenzijski les (sl. 22). Na prečnem prerezu so traheide kompresijskega lesa zaobljene, zato so med njimi večji intercelularni prostori, ki so tem večji čim debelejše so celične stene (Timell, 1986). Intercelularni prostori so prazni ali bolj ali manj zapolnjeni z ligninom in pektini, debeline celičnih sten so večje kot pri normalnem lesu, zato ima tudi večjo gostoto. Notranji sloj sekundarne stene S3 pri traheidah kompresijskega lesa navadno manjka, za srednji sloj SL pa je značilen velik mikrofibrilni kot in helikalne razpoke. Kompresijski les je rdečkasto rjave barve, ima mrtev videz brez leska, prehod iz ranega v kasni les je manj izrazit. Precej večje vzdolžno krčenje kompresijskega lesa (do 5 %) od normalnega je posledica mikrofibrilnega kota, krčenje pa je znatno manjše v prečnih smereh (pribl, za polovico). Slika 22 Pojav reakcijskega lesa pri iglavcih in listavcih: A - kompresijski les nastaja pri iglavcih na spodnji strani vej ali ukrivljenih debel; B — tenzijski les pri listavcih nastaja na zgornji strani vej ali ukrivljenih debel. Ravnovesna vlažnost in točka nasičenja celičnih sten sta pri kompresijskem lesu nekoliko nižji kot pri normalnem lesu, kar je posledica povišane vsebnosti lignina, ki je manj higroskopen. Kompresijski les ima zaradi manjših lumnov in pikenj tudi manjšo permeabilnost, vendar le v vzdolžni smeri. Zaradi večje gostote je difuzivnost tudi v prečnih smereh manjša. Pri sušenju se pojavijo razpoke, distorzije in veženja, ki zmanjšujejo uporabnost kompresijskega lesa. 41 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Kompresijski les je v svežem stanju bolj žilav (nekoliko večja je tudi tlačna trdnost vzporedno z vlakni) od normalnega, vendar se trdnostne lastnosti s sušenjem počasneje povečujejo kot pri normalnem lesu, glede na večjo gostoto pa so slabše kot bi pričakovali. Zlom je navadno kratko vlaknat. Preglednica 9 Primerjava zgradbe in lastnosti reakcijskega (tenzijskega in kompresijskega) lesa. Pri listavcih nastaja tenzijski les na zgornji strani ukrivljenih debel in vej. Območja tenzijskega lesa niso strnjena, ampak v okviru branike zasledimo večja ali manjša področja z modificiranimi anatomskimi elementi. Anatomske razlike se izkazujejo predvsem na vlaknih, v ranem lesu je delež trahej manjši in so tudi 42 Variabilnost in heterogenost lesa manjših premerov, medtem ko so ostali tipi celic več ali manj enaki kot pri normalnem lesu. Delež tenzijskih vlaken je večji, njihov prečni prerez je okrogel ali ovalen, premeri pa nekoliko manjši, vendar z debelejšimi stenami. Za stene tenzijskih vlaken je značilen želatinski sloj (G-sloj), sestavljen pretežno iz celuloznih mikrofibril le pod majhnim kotom (do 5°). G-sloj lahko dopolnjuje vse tri sloje sekundarne stene (Sl + S2 + S3 + G), zamenjuje notranji sloj (Sl + S2 + G) ali pa nadomešča srednji in notranji sloj sekundarne stene ((Sl + G). Povezanost med G-slojem in ostalimi deli celične stene je slabša kot med ostalimi sloji, zato največkrat med sušenjem prihaja do razslojevanja oziroma do odstopanja G sloja. Fizikalne lastnosti tenzijskih vlaken malo odstopajo od normalnih. Gostota tenzijskega lesa je le nekoliko večja od normalnega (do 10 %). Vzdolžni skrček, ki ga pripisujemo učinku velikega fibrilnega kota v Sl in slabši povezanosti G-sloja, je večji od normalnega lesa (do 1,5 %), ni pa tako ekstremen kot pri kompresijskem lesu. Tlačna trdnost tenzijskega lesa je v vzdolžni in prečni smeri manjša od normalnega, ima pa tenzijski les v suhem stanju večjo natezno trdnost. Velik aksialni skrček tako tenzijskega lesa pri listavcih kot kompresijskega lesa pri iglavcih bistveno prispeva k veženju lesa v procesu sušenja. Ta učinek se še stopnjuje v juvenilnem lesu, kjer je pogostost pojavljanja reakcijskega lesa največja. V adultnem lesu se reakcijski les pojavlja sporadično in nepredvidljivo. Dokaj uspešno je mogoče negativni učinek reakcijskega lesa preprečiti s sušenjem pod obtežbo, zato žagan les ali elementi, ki ga vključujejo, zlagamo v spodnje dele zložajev ali zložaje dodatno obtežimo. Notranje ali rastne napetosti Notranje ali rastne napetosti se vgradijo v lesu že v zadnji fazi diferenciacije celic (Kiibler, 1987). Takrat se novo nastala vlakna skušajo vzdolžno skrčiti in bočno razširiti, to pa jim preprečujejo toga starejša že zrela vlakna. Periferija debla je v aksialni smeri obremenjen na nateg, sredina debla pa na tlak. V tangencialni smeri je obod debla obremenjena na tlak, v sredini pa se v tej smeri pojavijo natezne napetosti (sl. 23). Sproščanje notranjih napetosti se pri vzdolžnem in prečnem razžagovanju kaže v značilnih veženjih in srčnih razpokah. Posledica rastnih napetosti sta tudi kolesivost in krhko srce. Nastanek notranjih napetosti pojasnjuje več hipotez: Ligninska nabrekovalna hipoteza : Inkrustacija lignina v celulozni skelet povzroči njegovo prečno razširitev oziroma nabrekanje in zaradi spiralnega poteka 43 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA celuloznih molekul še vzdolžno krčenje skeleta. Posledica je hkratni nastanek nateznih napetosti v vzdolžni smeri in tlačnih v tangencialni smeri. Pri velikem mikrofibrilnem kotu (nad 40 0 kompresijski les!) je učinek obraten. Hipoteza intruzivne rasti in vodnega stresa : Zaradi nesovpadanja sezonskega spreminjanja vzdolžnih in tangencialnih napetosti so japonski znanstveniki pripisali nastanek rastnih napetosti apikalni intmzivni rasti celic in vodnemu stresu oziroma skrčku debla zaradi tanjših vodnih stolpcev v sušnih obdobjih. Vzdolžne natezne napetosti naj bi nastale že med formiranjem celuloznih mikrofibril oziroma med rastjo celice in pred lignifikacijo. Celulozno tenziiska hipoteza pripisuje velik pomen turgorju, ki omogoča daljšanje celičnih vlaken, kar povzroča med razvojem celične stene tudi raztegovanje celuloznih mikrofibril in nastanek nateznih napetosti. Krčenje nadzira inkrustacija lignina; čim več lignina se vgradi v skelet, tem manjši je skrček in obratno. Tenzijska vlakna z malo lignina so zato pod velikimi nateznimi napetostmi. Slika 23 Značilna porazdelitev rastnih napetosti v deblu. Velike rastne napetosti otežujejo uporabo lesa. Zaradi sproščanja napetosti pri poseku in med razžagovanjem se takoj pojavijo deformacije; tangencialne deske se zvijajo lokasto, radialne pa se usločijo. V sredici debla se zaradi tangencialnih nateznih napetosti pojavijo srčne razpoke, kolesivost je posledica radialnih nateznih napetosti. S parjenjem lesa je mogoče napetosti nekoliko sprostiti in s tem zmanjšati njihov negativni vpliv v procesu sušenja. 44 Variabilnost in heterogenost lesa Grče Grče so posledica naravnega razvoja oziroma rasti drevesa, vendar jih zaradi njihovega negativnega vpliva na lastnosti lesa štejemo za napake. Grče so del veje, vključene v deblo (sl. 24). Z rastjo drevesa se veje na spodnjem delu debla sušijo in slej ko prej odpadejo, medtem ko ima drevo višje v deblu in v krošnji še žive veje. V živih vejah njihov kambij in prirastne plasti sklenjeno prehajajo v debelni kambij in debelne prirastne plasti, zato so grče zrasle. Ko veje odmro, se povezava s kambijem prekine, drevo pa prerašča ostanke veje. Suhe veje se pri iglavcih lomijo nekoliko stran od debla in tako ostanejo štrclji, pri listavcih pa se po razkroju veje odlomijo bliže deblu. Zrasle grče živih vej pri iglavcih in zdrave grče živih vej pri listavcih predstavljajo manjšo napako lesa, medtem ko nezrasle grče od suhih vej pri iglavcih in slepice pri listavcih bolj razvrednotijo lesne sortimente. Nezrasle grče in slepice se pojavljajo pretežno v spodnjem, zrasle in zdrave grče pa na zgornjem delu debla. Slepice so lahko že bolj ali manj biološko okužene ali razgrajene in se pojavljajo na sami površini. Njihovo prisotnost prepoznamo po bulah ali pa so popolnoma prerasle in jih na površini debla zaznamo le po sledovih. Grče od epikormskih vej ne segajo globoko v les in jih ne razvrščamo med (večje) napake. Vpliv grč na kakovost lesa ocenjujemo z njihovo velikostjo in številnostjo. STRŽEN KAMBIJ Slika 24 Značilne grče in njihova gostota v odvisnosti od oddaljenosti od stržena. 45 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA 46 Gostota in poroznost lesa GOSTOTA IN POROZNOST LESA Izbira najprimernejšega lesa za določen izdelek zahteva vrednotenje materiala z več vidikov. Med najpomembnejše sodijo: mesto vgraditve (predvsem zaradi ustrezne trajnosti ali trdnosti lesa), namembnost izdelka, tehnološke lastnosti (odpornost proti obrabi, trdota, trdnost) lesa, fizikalne lastnosti (dimenzijska stabilnost, toplotna in zvočna izolativnost, elektrostatičnost) in estetske lastnosti (dekorativnost, barva, tekstura). Ob dobrem poznavanju relevantnih (bistvenih) lastnosti posameznih lesnih vrst lahko tudi hitro ocenimo možnost njegove uporabe. Med relevantne lastnosti prištevamo: gostoto, naravno trajnost in možnost impregniranja, potek vzdolžnih elementov, trdnost, dimenzijsko stabilnost, težavnost sušenja in možnost pojava napak, obdelavnost, vijačenje, žebljanje, luščenje ali rezanje furnirja, obdelavo površin, lepljenje, dekorativne posebnosti, obarvanja. Nekatere relevantne lastnosti vidimo in jih tudi relativno hitro ocenimo: iz oblikovanosti debla sklepamo na potek aksialnih elementov, prisotnost reakcijskega lesa, razpored, število in vrste grč, mehanske poškodbe in obarvanja (diskoloracije). Navkljub dobremu poznavanju lesa pa je za zahtevnejše proizvode treba poleg vizualne ocene poznati tudi fizikalne in mehanske lastnosti. Od vseh fizikalnih in mehanskih lastnosti lesa je bila najprej in najpogosteje proučevana njegova gostota, ki je hkrati v najtesnejši zvezi z mnogimi drugimi lastnostmi in je pomembna tudi za napoved uporabnosti lesa. Gostota lesa Gostota in tudi nekatere druge fizikalne lastnosti so za določeno lesno vrsto specifične, vendar zaradi biološkega izvora zelo variabilne, celo znotraj iste vrste, na kar vplivajo rastiščne razmere, tla, socialni in cenotski status drevja ter drugo. Torej se srečujemo z zelo veliko variabilnostjo tako med vrstami kot tudi v okviru iste vrste. Gostota lesa variira v zelo širokih mejah: spodnja meja absolutno suhega lesa je med 100 kg/m 3 in 130 kg/m 3 in je pogojena z možnostjo nudenja še zadostne mehanske opore rastočemu drevesu, zgornja pa med 1200 kg/m 3 in 1400 kg/m 3 (pri takšni gostoti je les še sposoben zagotavljati zadosten transport vode iz koreninskega sistema v krošnjo drevesa). Najlažji les imajo rodovi Alstonia, Ochroma in Bombax, najtežji pa Guaiacum, Dalbergija in Piratinera. 47 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Gostota je v fiziki definirana kot masa na enoto volumna p = dm /dV [kg/m 3 ]. Zaradi odvisnosti tako mase kot volumna od lesne vlažnosti ločimo v lesni tehnologiji več načinov izražanja gostote. Gostota pa se spreminja tudi v nihajočih klimatskih razmerah, ko se zaradi higroskopnosti lesa spreminja tudi njegova vlažnost. Poleg vlažnosti na gostoto lesa vplivajo še zgradba lesa (npr. širina branike (sl. 25), delež kasnega lesa, deleži različnih anatomskih tkiv), vrsta in količina ekstraktivov ter kemijska zgradba. Zaradi variabilnosti zgradbe lesa se spreminja gostota tudi prečno in po višini drevesa (sl. 26). Slika 25 Odvisnost gostote lesa pri vlažnosti 12 % od širine branik pri iglavcih (jelka, duglazuja), pri listavcih z venčasto porozno strukturo (hrast, jesen) in pri »raztresenoporoznem« topolu, (po Kollmann in Cote, 1968) — smreka -cemprin —jelša -macesen — bukev — hrast Slika 26 Variabilnost gostote nekaterih lesnih vrst po višini debla, (po Kollmann in Cote, 1968) 48 Gostota in poroznost lesa Velike razlike gostote so tudi v okviru iste branike: pri iglavcih je razmerje gostot ranega in kasnega lesa od 1 : 2,3 pri jelovini, do razmerja 1 : 4,0 pri borovini (sl. 27); pri listavcih z venčastoporoznim lesom je to razmerje približno 1 : 2,5, pri listavcih z difuznoporoznim leso je precej manjše (npr. pri bukovini 1 : 1,76) (pregl. 10). Osnovna gostota R [kg/m 3 ] Slika 27 Frekvenčna porazdelitev osnovne gostote ranega in kasnega lesa duglazije, (po Bosshard, 1974) Preglednica 10 Gostota lesa v absolutno suhem stanju ranega in kasnega lesa ter njeno razmerje za nekatere naše najpogostejše lesne vrste. (Šoškič in Popovič, 2002) Vpliv gostote moramo upoštevati tudi pri sušenju, saj se pri enakem odstotku zmanjšanja vlažnosti pri različnih vrstah izloči različna masa oziroma količina vode, kar vpliva tudi na krčenje lesa. 49 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Zaradi poroznosti in odvisnosti tako mase kot volumna od lesne vlažnosti, ločimo v lesni tehnologiji več načinov izražanja gostote (glej sl. 29). Za vse lesove je gostota celične stene p p (imenujemo jo tudi gostota čiste lesne snovi pi es ) skoraj enaka (v absolutno suhem stanju od 1470 kg/m 3 do 1530 kg/m 3 ). Na gostoto celične stene vplivajo: raznolika kemijska zgradba [npr. celuloza ima nekoliko višjo gostoto {pc = 1580 kg/m 3 ) od polioz (p P = 1500 kg/m 3 ) in od lignina p L = 1380 kg/m 3 - 1410 kg/m 3 )], vsebnost mineralnih snovi in ekstraktivov, kristaliničnost celuloze, delež mikrorazpok in količina vezane vode. Razlike so tudi posledica različnih metod določanja (najpogosteje s piknometrom) in uporabljenih sredstev pri njenem določevanju. Razlike v rezultatih nam omogočajo interpretacjo zgostitve vezane vode v celičnih stenah, nesposobnosti prepajanja in vrivanja (penetriranja) večjih molekul v submikroskopske pore celične stene, interakcije med tekočino in celično steno (npr. vodikove vezi med vodo in hidroksilnimi skupinami lesnega tkiva) ipd. Gostota celične stene se z naraščajočo vlažnostjo zmanjšuje. Ob predpostavki, da je vlažnost točke nasičenja celičnih sten 30 %, bi bil volumenski nabrek celične stene 45 %. Tako lahko volumen vlažne celične (V v /) stene zapišemo kot vsoto volumna suhe stene ( V 0 ) in nabreka (a v V o), če je a v volumenski nabrekovalni koeficient. V v , = Vo + a v ' Vo Ob upoštevanju povečanja mase na račun vezane vode (delež je enak volumenskemu nabreku) in njene zgostitve v celičnih stenah je gostota vlažne celične stene 1385 kg/m 3 . = m pu = m P o+ a v-Py V P “ V„ ■ 7T V u F 0 • (1 + u-q v ) l + u- q v Če predpostavimo, da je nabrek enak količini v celične stene vrinjene higroskopske vode, ter da je vlažnost točke nasičenja celičnih sten pribl 28 %, lahko za območje od 0 % vlažnosti do vlažnosti 25 % odvisnost gostote od vlažnosti zapišemo: 1 + u P ^ P 0 1 f\ o A 1 + 0,84 • p 0 -u Pri nominalni gostoti R„ določimo maso v absolutno suhem stanju, volumen pa pri poljubni vlažnosti ( R u =m,/V u ). Najpogosteje uporabljena nominalna gostota je izražena z maksimalnim volumnom (V ma ks ah K/), to je pri vlažnostih nad točko nasičenja celičnih sten. Imenujemo jo osnovna gostota R. maks 51 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Posebno v angleški literaturi se zelo pogosto uporablja relativna gostota d u (angl. specific gravity), ki je po definiciji razmerje med nominalno gostoto lesa in gostoto vode pri 4 °C (p vo de)- Relativna gostota z naraščajočo vlažnostjo pada in doseže pri točki nasičenja celičnih sten svojo najmanjšo vrednost, ki ostane z nadaljnjim zviševanjem lesne vlažnosti nespremenjena. Pvode Slika 28 Odvisnost gostote poroznega lesa(pj in nominalne gostote (RJ od vlažnosti lesa. Slika 29 Variabilnost različno izražene gostote bukovine, (po Kollmann in Cote, 1968) 52 Gostota in poroznost lesa Standardizirano je ugotavljanje (SIST ISO 3131): > gostote pri dejanski, izmerjeni vlažnosti (p u = m u /V u ), najpogosteje pri zračni suhosti, ko je vlažnost lesa med 12 % in 15 %. > gostote v absolutno suhem stanju (po = mo/Vo) in > osnovne gostote (R = mo/V ma ks ). Lesne vrste razdelimo v več gostotnih razredov (pregl. 11). Preglednica 11 Razvrstitev nekaj lesnih vrst po gostotnih razredih. Vlažnost in poroznost lesa Les je kapilarna porozna snov, zgrajena iz različnih celic. K poroznosti poleg lumnov prispevajo še manjše odprtine (razpoke) v celični steni, povezovalni pikenjski sistem, smolni žepi in kanali ter intercelulami prostori. Celični lumni s premeri nad 2 pm predstavljajo makrokapilare (k njim prištevamo tudi medcelične prostore), najmanjše mikrokapilare (intermikrofibrilne in intramikrofibrilne prostore) najdemo v celični steni (r = 1 - 10 nm). Svež les takoj po poseku vsebuje velike količine vode, ki ne zagotavlja dimenzijske stabilnosti in biološke odpornosti ter tako omejuje njegovo nadaljnjo predelavo in obdelavo. Delež vode v svežem lesu se med drevesnimi vrstami pa 53 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA tudi v okviru iste močno razlikuje, zato je z vidika nadaljnje uporabe pomembno poznavanje njene razporeditve. Svež les vsebuje večje ali manjše količine vode kot: > vezano ali higroskopno vodo v celičnih stenah, > prosto ali kapilarno vodo v celičnih lumnih in > paro v celičnih lumnih (zaradi majhnih količin ni pomembna). Vsa vlažnostna stanja oz. oblike vode v lesu se med seboj razlikujejo tudi v energijskem nivoju. Najvišji nivo ima vodna para v celičnih lumnih, ki pa je glede na količino zanemarljiva. Sledi kapilarna voda v celičnih lumnih s približno enakim energijskim nivojem kot navadna prosta voda. Energijski nivo vezane vode v celičnih stenah je najnižji in se še znižuje s padajočo vlažnostjo pod točko nasičenja celičnih sten. Tako moramo pri sušenju vezane vode dovesti toploto, kije enaka vsoti izparilne toplote tekoče vode in diferencialne sorpcijske toplote, to je toplote, ki je potrebna, da se vezane vodne molekule odcepijo od sorpcijskih mest in postanejo "aktivirane". Vlažnost lesa je v lesni tehnologiji izražena relativno kot količina vode na maso lesa v absolutno suhem stanju: m vode = m vl - m 0 m 0 m 0 Ag/kg/ m , —m n oz. U = — --100 [%] m o Manj pogosto določamo absolutno vlažnost, ki je definirana kot razmerje med maso vode v lesu in maso vlažnega lesa: m vode _ m vl m 0 m v j m v j pri čemer velja Ag/kg/ x . u u =- m x =- 1-x 1 + u V zgornjih enačbah je: 54 Gostota in poroznost lesa m v / masa vlažnega lesa, /kg/ x absolutna vlažnost lesa /kg/kg/ Ker v lesni tehnologiji količino vode izražamo z relativno vlažnostjo, je dejanska masa vode v določenem volumnu odvisna tudi od gostote lesa. Tako vsebuje 1 m redke topolovine z vlažnostjo 20 % (gostota toplolovine v absolutno suhem stanju je 330 kg/m ) 66^ kg vode, enak volumen gabrovine (z gostoto v absolutno suhem stanju 790 kg/m ) z enako vlažnostjo (u = 20 %) pa 158 kg vode. Vpliv gostote moramo upoštevati tudi pri sušenju, saj se pri enakem odstotku zmanjšanja vlažnosti pri različnih vrstah izločijo različne mase vode. Prostominski delež suhega lesa brez por (c«) je razmerje med nominalno gostoto ( R ) in gostoto suhe celične stene (pi es ): R delež por v absolutno suhem lesu (n) pa n = l- « = 1- 667 • p 0 Ples Druga enačba velja, če predpostavimo, daje gostota celične stene 1500 kg/m 3 . Poroznost na celotnem vlažnostnem območju (v a ) izračunamo: K, = 1 - P u (- p r Pie: Pv Pvode Enačba je zelo priročna za izračun maksimalne količine impregnacijskega sredstva, ki lahko penetrira v les znane gostote in vlažnosti, nakazuje pa tudi neposredno zvezo med poroznostjo in gostoto (pregl. 12). Ker je prostominski delež v celične stene vrinjene vezane vode ( u vez ) enak volumenskemu skrčku (f3v), j e-delež vlažnega lesa (c v/ ) enak vsoti deležev suhega lesa in proste vode, razlika do enote pa predstavlja volumen por v vlažnem lesu (P v i). Navedene veličine izračunamo po naslednjih formulah: c vl = c 0 + P V V “ Uvez 55 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Py — P maks Vp P maks P vl = 1 ~ c vl V zgornjih enačbah je: Cyi delež vlažnega lesa Co prostominski delež suhega lesa brez por m vez prostominski delež vezane vode [5 v volumenski skrček izražen v deležih (ne v %) V ma ks volumen lesa v svežem stanju V 0 volumen lesa v absolutno suhem stanju P v i volumen por v vlažnem lesu Preglednica 12 Delež por in delež celičnih sten v svežem lesu iglavcev. (Panshin in DeZeeuvv, 1980) Pri vlažnostih nad točko nasičenja celičnih sten so lumni oz. pore bolj ali manj zapolnjene s prosto vodo ali s plini. Razliko med absolutno vlažnostjo (x) in deležem vezane vode predstavlja delež proste (kapilarne) vode u pr , z vodo nezapolnjeni lumni pa predstavljajo delež plinov (Pl). U P r= X P v P vode R + fiv -Pv Pl Pvl ~ tl pr Pvv 1130 kg/m 3 Končni preizkus izračuna izvedemo s seštevanjem deležev lesa, vezane vode, proste vode ter plinov. 56 Gostota in poroznost lesa Co + U vez + Upr + Pl — 1 V svežem lesu prosta voda nikoli popolnoma ne zapolnjuje lumnov, temveč so v njih prisotni tudi plini oz. plinski mehurčki. Zapolnjenost lumnov s plini ( G) oz. prosto vodo ( W) izračunamo: M pp W =- delež proste vode v luninih Pvl Pl G =- delež plinov v lumnih Pvl S približkom lahko predpostavimo, da se velikost celičnih lumnov med krčenjem in nabrekanjem praktično ne spreminja, zato veljajo naslednje zveze med skrčkom (nabrekom), vlažnostjo pri točki nasičenja celičnih sten in gostotami: fiv = UTNCS P cf-v - Utncs Po _ P V _ a V U TNCS ~ ~ - P P 0 Pri natančnih izračunih upoštevamo še zgostitev vezane vode v celični steni. Gostota le-te je v povprečju 1130 kg/m 3 . Od točke nasičenja celičnih sten se z nižanjem vlažnosti povečuje in doseže pri absolutni suhosti gostoto 1300 kg/m 3 (sl. 30). Pv ' Pm ' Pvv Kjer pomenijo: 57 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Slika 30 Gostota vezane vode v odvisnosti od vlažnosti lesa.(Siau, 1984) Največjo količino vode, ki jo je les sposoben sprejeti tako, da so celične stene in celični lumni popolnoma zaliti z vodo, je mogoče doseči le s potopitvijo lesa v vodo. Takrat je dosežena napojitvena vlažnost . .. . , (P les Po ) P vode U maks ~ U TNCS + Po Ples V zgornji enačbi je: 58 Voda v lesu VODA V LESU Radialna porazdelitev vode v svežem lesu Porazdelitev vode v živem drevesu je odraz prevajalne vloge sekundarnega ksilema, ki prevaja vodo iz koreninskega sistema v krošnjo. Tudi po poseku vsebuje svež les veliko količino vode, ki ne omogoča njegove takojšnje uporabe, zato je sušenje nujna in največkrat prva faza predelave lesa v končne izdelke. Določanje vlažnosti svežega lesa je pomembno pri: > optimalnem vodenju sušilnega postopka, > računanju časa sušenja in porabe energije ter > načrtovanju proizvodnje. Funkcionalno aktivna beljava je bolj ali manj nasičena z vodo, ko pa celice ne opravljajo več primarne funkcije transporta, se voda v lumnih v večji ali manjši meri zamenja s plini, ki vključujejo tudi vodno paro. Najznačilnejša in z največjimi razlikami je zato porazdelitev vode v radialni smeri. Pri iglavcih in difuznoporoznih listavcih z veliko listno površino je velikost prevodnega prereza debla v korelaciji z velikostjo transpiracijske površine (krošnje). Pri prevajanju vode sodeluje beljava, vendar periferni deli bolj kot notranji. Skladno s povečevanjem radija debla se prevodni del beljave odmika na periferijo, vlažnost beljave pa proti meji z jedrovino navadno upada, sredica se vse bolj izsušuje (zrelina, sušina), celične stene pa ostanejo običajno napojene. Na meji z jedrovino pride do strmega padca vlažnosti, ki ga pri iglavcih spremlja aspiracija obokanih pikenj, pri listavcih pa otiljenje. Pri vrstah brez jedrovine vlažnost dokaj enakomerno pada proti strženu, kjer doseže svoje najnižje vrednosti, vendar nikoli nižje od nasičenja celičnih sten. Pri mnogih vrstah pride po predhodni izsušitvi (dehidraciji) na lokaciji jedrovine do ponovnega navlaževanja oz. akumulacije vode. Tedaj govorimo o mokrinah in mokrem srcu (npr. mokro srce pri jelki), ki ga obdaja suha cona. Mokrine se lahko širijo tudi v beljavo. Najpogosteje se povišana vlažnost pojavi na bazi drevesa, v območju krošnje ali lokalno na mestih štrcljev vej pa nakazuje vpliv odmiranja korenin, vej in krošnje. Tudi diskoloriran les ima navadno večje količine vode, zato ga uvrščamo v isto kategorijo mokrin (npr. rdeče srce pri bukvi, rjavo srce pri topolu in jesenu). Zaradi slabših lastnosti lesa predstavljajo 59 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA mokrine v predelavi lesa tehnološko napako. Poleg višje in neenakomerno razporejene vlažnosti so mokrine pogosto obarvane, les ima lahko manjšo trdnost, lahko pa se pojavi tudi bakterijska ali glivna okuženost. Med sušenjem, kije počasnejše kot pri normalnem lesu, se pogosteje pojavijo kolaps in razpoke. Zaradi tako raznolike porazdelitve vode že v živem drevesu vsebuje les tudi po poseku na različnih mestih različne količine vode. Vlažnost lesa v svežem stanju je odvisna od časa sečnje in transporta, vrste lesa, starosti, velikosti krošnje, radialne in vertikalne distribucije v drevesu (beljava-jedrovina-višina). Poleti in v zgodnji jeseni je vlažnost debla nižja, največja pa je spomladi in v zgodnjem poletju. Sezonska nihanja vlažnosti so značilna predvsem za beljavo, velik vpliv nanjo pa ima tudi intenzivnost transpiracije z listne površine, vlažnost tal in permeabilnost beljave (sl. 31). Mesec Slika 31 Letno nihanje vlažnosti beljave in jedrovine borovine ter hrastovim. Razlika vlažnosti med beljavo in jedrovino je pri iglavcih nekajkratna, pri listavcih pa ne tako izrazita (sl. 32 in sl. 33). Poznavanje porazdelitve vlažnosti v svežem lesu je pomembno zlasti v sušilni praksi. Zaradi želje po čim hitrejšem obračanju kapitala se vse več lesa tehnično suši takoj po razžagovanju, ko les vsebuje še velike količine vode. Večina sušilnih procesov temelji na merjenju in sledenju lesne vlažnosti zato za doseganje visoke kakovosti osušenega lesa pazljivo izbiramo merilna mesta oziroma sledilne vzorce, kar pa nam otežuje zelo variabilna porazdelitev vlažnosti (pregl. 13). 60 Voda v lesu SMREKA BOR Relativna oddaljenost od kambija JELKA z mokrim srcem Relativna oddaljenost od kambija Relativna oddaljenost od kambija Slika 32 Radialna porazdelitev vlažnosti pri nekaterih iglavcih v odvisnosti od relativne oddaljenosti od stržena. ' 200 150 100 50 0 Relativna oddaljenost od kambija BUKEV z rdečim srcem ’ 200 ■ 150 100 50 0 Relativna oddaljenost od kambija Relativna oddaljenost od kambija Slika 33 Radialna porazdelitev vlažnosti pri nekaterih listavcih v odvisnosti od relativne oddaljenosti od stržena. 61 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Vlažnost kasnega lesa v beljavi in jedrovini je izenačena, medtem ko je vlažnost ranega lesa v beljavi veliko višja kot v jedrovini, ker poteka pretežni del prevajanja vode iz koreninskega sistema v krošnjo po ranem lesu beljave (sl. 34). Slika 34 Radialna porazdelitev vlažnosti ranega in kasnega lesa pri boru. Preglednica 13 Delež celičnih sten in maksimalne količine proste in vezane vode za nekatere lesne vrste (Eichler, 1980). vlažnost točke nasičenja celičnih sten napoj itvena vlažnost 62 Voda v lesu Sorpcijske lastnosti lesa — sorpcijske izoterme in histereza Zaradi svoje specifične kemične zgradbe in velike notranje površine, ki jo oblikujejo makro (lumni) in mikro kapilare v celični steni, je les higroskopen ter zato vsebuje več ali manj vode (sl. 35). Vlažnost lesa v stanju higroskopnega ravnovesja je ravnovesna vlažnost lesa (u r ). Zaradi spreminjajočih se klimatskih razmer niha tudi lesna vlažnost. Vsebnost higroskopne oz. vezane vode je omejena s številom sorpcijskih mest, ki jih lahko vežejo vodne molekule. Od stenskih sestavin so najbolj higroskopne polioze (hemiceluloze), sledijo celuloza in lignin ter nekateri ekstraktivi (Wangaard in Granados, 1967). Kristalih celuloznega skeleta vežejo vodo le na svoji površini. H,O HjO H 2 0 t f HjO HjO HjO Slika 35 Vezava vodnih molekul na hidroksilne skupine osnovnih lesnih komponent. Odvisnost ravnovesne vlažnosti od relativne zračne vlažnosti pri konstantni temperaturi izražamo s sorpcijskimi izotermami. Zaradi različnega mehanizma sorpcije poznamo več njenih oblik (sl. 36). Sorpcijske izoterme za les, ki jih dobimo s postopnim uravnovešanjem v padajočih (sušenje - desorpcija) oz. v naraščajočih (navlaževanje - adsorpcija) relativnih zračnih vlažnostih pri konstantni temperaturi, so sigmoidne (tip III) in tvorijo histerezno zanko (sl. 37). Zaradi neskladja obeh sorpcijskih izoterm, je ravnovesna vlažnost lesa pri adsorpciji vedno nižja od tiste v desorpciji (do temperature pribl. 70 °C) (sl. 38A). 63 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Relativna zračna vlažnost
V območju nizkih vlažnosti sprejme vsako sorpcijsko mesto po eno vodno molekulo - prevladuje mehanizem monomolekulame (kemi-) sorpcije (od absolutne suhosti do ravnovesja z relativno zračno 65 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA vlažnostjo tp = 20 % do 30 %) (Niemz, 1993, Stamm, 1964, 1977). Hitrost spremembe ravnovesne vlažnosti z vlažnostjo pada. > Pri nekoliko višjih vlažnostih (v ravnovesju s 30 % do 55 % relativne zračne vlažnosti) se molekule vode vežejo tudi v več plasteh (kvazilineamo območje) (Hao in Avramidis, 2000). Molekule vode reagirajo druga z drugo in medsebojno tvorijo skupine ter prehajajo v dinamično ravnovesje, ko se vezalna energija med sorpcijskimi mesti izenači. Hitrost sprememb ravnovesne vlažnosti je konstantna. > V zgornjem higroskopskem območju prihaja do zapolnjevanja mikrorazpok celične stene (Loskutov, 2000, Simpson, 1973) in tudi do kapilarne kondenzacije (Kollmann in Schneider, 1963). Vodne molekule se združujejo v večje skupine - grozde (angl. clusters)(Hartly s sod. 1992, Hartly in Avramidis, 1993, Khali in Rawat, 2000), hkrati slabi vez med hidroksilno skupino in prvo vezano vodno molekulo, zato se skupine vodnih molekul premeščajo kot celote. Neskladje med ravnovesno vlažnostjo, dobljeno v procesu adsorpcije in desorpcije (razmerje u rA /u rD ), je praviloma največje v območju relativne zračne vlažnosti
0,1 pm) lahko dvigne tudi na 5000 J/mol pri kemičnih vezeh (npr. kristalizaciji). Tudi difuzijsko gibanje 69 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA vezane vode poteka v smeri zmanjševanja proste energije. Iz enačbe je razvidno, daje prosta energija v tesni zvezi z relativno zračno vlažnostjo. Ob zmanjševanju relativne vlažnosti absolutna vrednost proste energije vlažnega materiala narašča. Spremembo proste energije zaznamo tudi pri zmanjšanju parnega tlaka v kapilarah. Vzrok je površinska energija tekočine. Podana je s Kelvinovo enačbo: AG, = -RT\ny/ 2 ' V v r cosy/ kjer je a površinska napetost tekočine, v„ specifični volumen, r polmer meniskusa in ipkoi omočitve. Na znižanje parnega tlaka vplivajo tudi vodotopne ekstraktivne snovi, ki se nahajajo v celičnih lumnih. Iz Kelvinove enačbe je indirektno mogoče določiti tudi izparilno toploto ali na ožjih temperaturnih intervalih diferencialno sorpcijsko toploto pri določenih ravnovesnih stanjih oziroma vlažnostih. Uporabimo lahko tudi Clausius-Clapeyronovo enačbo in trditev, da je razlika entalpij vezane in proste vode enaka diferencialni sorpcijski toploti: 1 \ h s -h° v ~ K |_ T 2 S preureditvijo enačbe izračunamo diferencialno sorpcijsko toploto, kije odvisna od relativne zračne vlažnosti in je v funkcijski zvezi z ravnovesno vlažnostjo lesa. Sln(^) Po 8T A H s = -RT 2 <3 ln (p ST _ d\xup d\ncp d T R Diferencialno sorpcijsko toploto določimo iz naklona premice ( - AH/R), ki podaja zvezo med naravnim logaritmom relativne zračne vlažnosti in recipročno vrednostjo absolutne temperature, ali iz znanih pogojev dveh ravnovesnih stanj, ki jih določata temperatura ( T) in relativna zračna vlažnost {(p). 70 Voda v lesu RTJ 2 \n^- RT 2 ln^- -A H *_^ r 2 -r, r 2 -r, Empirična enačba odvisnosti diferencialne sorpcijske toplote od vlažnosti ima eksponentno obliko in jo izrazimo na mol ali kg izločene vode AH s = 21100e~ 14 " [J/mol] Q s = 1,1x10 6 e -14 " [J/kg] Zgornje termodinamične zveze kažejo, da ima voda različna energijska stanja, ki so vezana na njihovo urejenost, temperaturo in obliko (npr. sorpcijo, kristalizacijo ipd.). Med »čistimi« agregatnimi stanji ima najvišji nivo vodna para, ki se od vode razlikuje za izparilno toploto; še za talilno toploto ima nižje energijsko stanje led. Energijsko stanje v celične stene vezane vode je odvisno od vlažnostnega stanja; pri zelo nizkih vlažnostih je še nižje od ledu, s poviševanjem vlažnosti se približuje prosti vodi in doseže njen energijski nivo v območju nasičenja celičnih sten. Obratno, kot je potrebno pri sušenju dovajati energijo, se pri navlaževanju lesa toplota sprošča (sl. 42). Največ toplote se razvije, če navlažujemo absolutno suh les. Dobljeno toploto imenujemo skupno ali totalno vlažilno toploto (fVo), izračunamo jo iz znane diferencialne sorpcijske toplote: U TNCS w 0 = jn s du o Vlažilno toploto določimo tudi od poljubne vlažnosti (integralna sorpcijska toplota) do vlažnosti točke nasičenja celičnih sten: U TNCS W = \H s du u Poviševanje vlažnosti nad območje nasičenja ne vpliva na generiranje vlažilne toplote. 71 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Slika 42 Odvisnost diferencialne sorpcijske toplote od lesne vlažnosti in grafični pomen vlažilne toplo te(Skaar, 1988) . Če velja med diferencialno sorpcijsko toploto in lesno vlažnostjo enostavna eksponentna zveza, sta si vlažilna toplota in diferencialna sorpcijska toplota premo-sorazmemi. Veličini se med seboj razlikujeta v interpretaciji; diferencialna sorpcijska toplota predstavlja potrebno energijo za premagovanje energije vezave vodnih molekul z lesom, skupna vlažilna toplota pa je proporcionalna s številom vseh sorpcijskih mest v lesu, ki so dostopna vodnim molekulam. Višja vlažilna toplota je potemtakem značilna za bolj higroskopne lesove, ki imajo tudi višjo točko nasičenja celičnih sten. Nakazuje se linearna zveza med vlažilno toploto in vlažnostjo TNCS, zato je tudi njuno razmerje konstantno ( Wo/U T nsc ~ 0,8 ). Skupna vlažilna toplota, ki se giblje med 3,0 in 4,4 kJ/kg absolutno suhega lesa, je za jedrovino nekoliko nižja kot za beljavo, nižjo pa izkazujejo tudi lesovi z visokim deležem ekstraktivnih snovi. Tudi bolj higroskopne polioze imajo višjo skupno vlažilno toploto (W 0 = 6,7 kJ/kg) od celuloze (W 0 = 4,5 kJ/kg) ali lignina (W 0 = 3,3 kJ/kg) (Wadso, 1993). Modeli sorpcije Sigmoidno obliko sorpcijske izoterme lahko dokaj uspešno pojasnimo z dvodelnimi modeli. Pri nižjih vlažnostih sorpcijsko krivuljo pojasnjuje Langmuirjeva izoterma hidratacije, drugi del pa Henry ali Flory-Hugginsova izoterma raztopine. Obravnavani modeli sorpcije temeljijo na domnevni interakciji sorbiranih vodnih molekul s stenskimi komponentami, lahko tudi v več slojih in medsebojnem združevanju in povezovanju vodnih molekul v grozde 72 Voda v lesu (»klastre«) (npr. Dentova, Brunauer-Emmett-Teller-jeva - BET in Guggenheim - Anderson - De Boerov - GAB teorija). Nekateri modeli so razširjeni še z vplivom nabrekovalnega tlaka med adsorpcijo (Dent, 1977, Wadso, 1993, Peralta, 1995, Nakano, 2003). Teorije skušajo pojasniti mehanizem vezave vodnih molekul v celično strukturo na več predpostavkah in modelih : > a/ monomolekularni sorpcijski model, > b/ polimolekulama sorpcija, kapilarna kondenzacija in zapolnjevanje mikro-prostorov v celični steni ter formiranje grozdov - klastrov, > c/ model raztopine ali > d/ modeli, ki skušajo sorpcijske krivulje obravnavati zgolj z empiričnimi statističnimi enačbami. Večina modelov vodi do kvadratne odvisnosti ravnovesne vlažnosti in relativne zračne vlažnosti. ^ = A + B-(p-C-(p 2 u ep aktivnost vode oziroma relativna zračna vlažnost [-] u vlažnost lesa izražena kot delež [-] A, B in C koeficienti kvadratne funkcije Mnoge teorije in modeli se dopolnjujejo in prepletajo. Dentova teorija loči dve kategoriji adsorbirane vode v celični steni; > primarne molekule so vezane neposredno na sorpcijska mesta, > sekundarne vodne molekule pa so vezane na že zasedena primarna mesta ali tudi druga sekundama mesta, torej lahko tudi v več slojih. Za primarni sloj je značilna večja vezalna energija, vsi nadaljnji sloji pa imajo enake lastnosti kot sekundarne molekule vode. Pri določeni vlažnosti je nekaj površine še proste in je na razpolago za sorpcijo vode (Ao), del površine zasedajo samo primarne molekule (A/), prav tako pa je del površine zasedene z dvema (A 2 ), tremi (As) ali več (A„) sloji vodnih molekul (sl. 43). 73 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Slika 43 Vezava vodnih molekul na površino lesa v enem oz. več slojih po Dentovem modelu sorpcije. Celotna razpoložljiva površina je tako enaka vsoti vseh površin: A = Ao + Ai + A 2 + A 3 + ... + A n — 22 A n Volumen, ki ga lahko zasedejo primarne molekule, je pri debelini sloja vode d 0 enak: V 0 = d 0 A- d 0 (A 0 + A, + A 2 + A 3 + ... + A„J = d 0 IA„ Celotni volumen vezane vode pa je enak: V = do (A/ + 2 A 2 + 3 As + ... + n A n ) V ravnovesnem stanju obstaja med lesom in okolico dinamično ravnovesje, prav tako pa tudi med posameznimi sorpcijskimi ravninami v celični steni; število vezanih vodnih molekul je enako številu odcepljenih. Tako je npr. vezava vodnih molekul na prosto površino A 0 enaka hitrosti cepitve vodnih molekul z A u hkrati je hitrost izmenjevanja vodnih molekul med posameznima slojema premo- sorazmema z aktivnostjo vode oz. vodne pare. Ai = bi' (p A , 4 Pri čemer so bi značilne konstante, (p pa aktivnost vode (relativna zračna vlažnost). Ker so lastnosti vseh sekundarnih vodnih molekul enake, velja: b 2 -bs = b 4 - ... = b n (n*V in Ai = b 2 ' (p ' A!_i (n*l) Iz enačb sledi V 0 = d 0 {A 0 +A,[1 + b 2 (p+ (b 2 (p) 2 + (b 2 (p) 3 + ...]} V = doAi [1 + 2 b 2 (p+ 3 (b 2 (p) 2 + 4 (b 2 (p) 3 + ...J Za razmerje med celotno količino vode in volumnom primarnih molekul (razmerje je enako tudi količniku med vlažnostjo lesa in vlažnostjo t.i. primarne 74 Voda v lesu sorpcije, ki bi jo les dosegel pri popolni zasedenosti vseh sorpcijskih mest s po eno vodno molekulo) dobimo: V _ u A x (1 - b 2 ■ ep) 2 _ b x -(p V 0 u 0 A 0 +A x (l-b 2 -(p)~ x (l-b 2 ■
A hd K h (P sledi X h =K h -A d -X 0 =K h -K d -h-X 0 X 0 +X h . K h -K d -cp X d \ + K h ■ K d ■ (p f K h -K d -
N r _ w \l + K r K-
razumevanje upočasnjenega toka vode zaradi difuzijskega upora, > pojasnitev generiranja sušilnih napetosti, ki nastanejo v procesu higroskopskega krčenja zaradi vlažnostnega gradienta ali/in anizotropne zgradbe, 84 Voda v lesu > razumevanje zmanjšanja toplotnega toka na površino lesa in zmanjšanja masnega toka s površine zaradi manjše temperaturne in vlažnostne razlike med površino lesa in okolico. Pri listavcih, ki imajo večji delež bolj higroskopnih polioz, je vlažnost nasičenja celičnih sten nekoliko višja kot pri iglavcih. Ekstraktivi znižujejo ravnovesno vlažnost v zgornjem območju relativnih zračnih vlažnosti, zato je tudi ravnovesna vlažnost in TNCS beljave vselej višja od ravnovesne vlažnosti in TNCS jedrovine. Prav tako sta ravnovesna vlažnost in TNCS ekstrahirane jedrovine vselej višji od ravnovesne vlažnosti in TNCS neekstrahirane jedrovine. Trakovi imajo nižjo TNCS od osnovnega aksialnega tkiva, verjetno zaradi drugačne kemične sestave. TNCS lahko določimo na več načinov, vsi pa temeljijo na drastičnih spremembah fizikalnih, mehanskih in drugih lastnosti v higroskopskem območju in dokaj stabilnih vrednostih nad točko nasičenja celičnih sten: > z ekstrapolacijo sorpcijske izoterme do 100 % relativne zračne vlažnosti (Kelsey, 1954), z določitvijo začetka krčenja v procesu sušenja ali prenehanja nabrekanja v procesu vlaženja (metoda intersekcijske točke), z računanjem razmerja med volumenskim skrčkom (fi v ) in osnovno gostoto ( R ) ob korekciji gostote adsorbirane vode (p vv ) ali nabrekom (a v ) in gostoto v absolutno suhem stanju (/?«), PrPv > &V P v 'TNCS > > > > > R Po Pri nabrekanju je možna tudi sprememba volumna lumnov; npr. pri krčenju se lumni ranega lesa duglazije povečajo, kasnega pa zmanjšajo. Vzrok utegne biti v srednji lameli, bogati z ligninom, ki je bolj učinkovita pri zmanjšanju krčenja tankostenskih celic ranega lesa kot pri debelostenskih celicah kasnega lesa. z merjenjem električne upornosti, kota izgube in dielektrične konstante ali obojega, termodinamsko, z merjenjem sorpcijske (vlažilne) toplote, z metodo porozne ploščice, z visokim kapilarnim tlakom s centrifugiranjem, s presevanjem z beta žarki, 85 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA > s spremljanjem biološkega razkroja z glivami, ki povzročajo trohnobo, > z izmenjavanjem oz. izločevanjem vezane vode s polimeri, > z merjenjem odvisnosti trdnostnih lastnosti (zlasti tlačne) od vlažnosti. Redkejši lesovi imajo višjo vlažnost nasičenja celičnih sten (sl. 50), vendar moramo omenjeno zakonitost pretehtati tudi z vidika ostalih vplivnih dejavnikov, ki v mnogih premerih celo prevladajo. Gostota lesa v absolutno suhem stanju p 0 [kg/m 3 ] Slika 50 Odvisnost točke nasičenja celičnih sten od gostote lesa v absolutno suhem stanju (iz Gorišek, 1992 po 1 -Vorreiter (1963), 2 —Feist in Tarkow (1967), 3 —Kellogg in Wangaard (1969) in 4 -Cudinov (1981)). 86 Krčenje in nabrekanje KRČENJE, NABREKANJE IN KRČITVENA ANIZOTROPIJA Krčenje lesa štejemo med njegove najneugodnejše lastnosti, saj zaradi higroskopnosti dimenzije lesa ne ostajajo stabilne niti po osušitvi na primerno vlažnost. Krčenje ali nabrekanje lesa je vezano na spremembo vlažnosti v higroskopskem območju, to je od točke nasičenja celičnih sten (TNCS) do absolutno suhega stanja (Mantanis s sod. 1994). Volumensko krčenje in nabrekanje lesa je količinsko enako volumnu oddane oz. sprejete higroskopske vode, pri čemer se velikost celičnih lumnov v procesu krčenja praktično ne spremeni (sl. 51). Pri natančnejših proučevanjih moramo upoštevati še zgostitev vezane vode v celičnih stenah. Zaradi izrazite anatomske, kemične in fizikalne anizotropije na makroskopskem, mikroskopskem, submikroskopskem in makromolekulamem nivoju se tudi krčenje in nabrekanje razlikujeta glede na anatomske smeri. Krčenje oziroma nabrekanje je v longitudinalni smeri praktično zanemarljivo (pribl. 0,3 %) v radialni in tangencilani smeri pa je 10 oz. 20 krat večje. (sl. 52 ter pregl. 17). Na krčenje v longitudinalni smeri delujejo zaviralno vzdolžno orientirani kristalih celuloze, usmerjenost mikrofibril v prevladujočem srednjem sloju sekundarne stene in prem potek vlaken v samem deblu, medtem ko se krčenje realizira v prečni smeri, t.j. radialno in tangencialno (Barber, 1968, Barber in Meylan, 1964, Barret in sod. 1972, Boyd, 1974, Harris in Meylan, 1965, Keylwerth, 1962, 1964). Slika 51 Volumensko krčenje in nabrekanje lesa je količinsko enako volumnu oddane oz. sprejete higroskopske vode. Krčenje je še zlasti neugodno v postopku sušenja, ko se zaradi vlažnostnega gradienta in krčitvene anizotropije generirajo napetosti, ki ob prekoračitvi prečne natezne trdnosti lesa povzročajo razpoke in izkrivljenosti (distorzije) (Hittmeier, 1967, Hsu in Tang, 1975, Kollmann, 1981). 87 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Higroskopsko krčenje in nabrekanje je treba strogo ločiti od dimenzijskih sprememb, ki nastanejo kot posledica sproščanja rastnih napetosti, ki se generirajo v zadnji fazi diferenciacije v kambijevi coni in se delno sprostijo že pri poseku drevesa, še preden se les začne sušiti. Slika 52 Anizotropija krčenja v glavnih anatomskih smereh (odstotki predstavljajo približne skrčke od točke nasičenja celičnih sten do absolutno suhega stanja). Celotni ali »totalni« prostominski ali volumenski skrček (fi v ) je definiran s spremembo volumna od svežega do absolutno suhega stanja glede na dimenzije pred krčenjem, to je v svežem stanju, ko je vlažnost lesa nad točko nasičenja celičnih sten. Po enakem načelu so določeni tudi linerani skrčki v vzdolžni (j3 L ), radialni (j3 R ) in tangencialni smeri (/?/). v/ Nabrek (volumenski - a v in linearni: longitudinalni (aksialni)- «/., radialni - a R ter tangencialni - a T ) je definiran kot povečanje dimenzij lesa glede na dimenzije v sušilnično oziroma absolutno suhem stanju (u ~ 0 %): V -V a v = v ‘___ °- [m 3 /m 3 ] a K Ki ~K V -V a v =-*-5-100 o L,R,T [m/m] a L,R,T ^—^•100 [%] L 88 Krčenje in nabrekanje V zgornjih enačbah je: Pv.l.rj skrček (volumenski, vzdolžni radialni ali tangencialni) ccv,l,r,t nabrek (volumenski, vzdolžni radialni ali tangencialni) V v i, l v / dimenzije (volumen ali razdalja) v svežem stanju Vo, k dimenzije (volumen ali razdalja) v absolutno suhem stanju Med skrčkom in nabrekom veljata naslednji zvezi: a = P \-P in P = a l + a Približno je mogoče določiti volumensko krčenje in nabrekanje tudi iz linearnih skrčkov oz. nabrekov: fiv~fiL + fiR + fi T 0,01 fi ffi R OZ. R a v ~ a L +a R +ar-0,01 a T cc R oz. a v ~ a T +a R Obstaja pozitivna odvisnost med volumenskim, radialnim in tangencialnim nabrekom ter gostoto (sl. 53). Najznačilnejši je vpliv gostote na radialno krčenje. Stabilizirajoči vpliv jedrovinskih snovi je pri redkejših lesovih večji kot pri gostejših, kjer gostota prekrije učinek ojedritve na fizikalne lastnosti lesa. Gostota v absolutno suhem stanju po [kg/m 3 ] Gostota v absolutno suhem stanju a> [kg/m 3 ] Gostota v absolutno suhem stanju 0 [kg/m 3 ] Gostota v absolutno suhem stanju po [kg/m 3 ] Slika 53 a) Volumenski, b) radialni in c) tangencialni nabrek ter d) prečna krčitvena anizotropija v odvisnosti od gostote lesa v absolutno suhem stanju. (Gorišek, 1992) 89 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Preglednica 17 Gostota p i2 pri lesni vlažnosti u = 12 %, volumenski ji v, radialni fi R in tangencialni fi T skrček za nekatere domače iglavce in listavce ter za nekaj tropskih vrst (Wagenfiihr inSchreibe 1986; Gorišek, 1992) Volumensko krčenje in nabrekanje lesa bi bilo v primeru homogene celične stene neodvisno od deleža praznih prostorov. Če domnevamo, da je točka nasičenja celičnih sten 30 %, relativna gostota celične stene 1,5 ter da je povečanje volumna zaradi nabrekanja enako volumnu vezane vode, je volumenski nabrek 90 Krčenje in nabrekanje od absolutno suhega stanja do vlažnosti točke nasičenja celičnih sten 0,45 cm/cm . Potemtakem je maksimalni nabrek celične stene 45 %. V tem kontekstu je nabrek odvisen od gostote lesa oz. deleža celičnih sten in od TNCS. Pri natančnih izračunih je treba upoštevati še zgostitev vezane vode v celični steni, ki se povečuje z nižanjem vlažnosti in doseže pri absolutni suhosti gostoto 1300 kg/m 3 . Srednja gostota vezane vode je 1130 kg/m 3 (glej. sl. 30). Odstopanja pogosto povzroča znaten začetni skrček zaradi kolapsa, vsebnost ekstraktivnih snovi in pepela ali drugačna higroskopnost parenhimskega tkiva. Razmerje med spremembo volumna lesa (velja za krčenje in nabrekanje) in maso sprejete oz. oddane vode (razmerje r) se z naraščajočo gostoto zmanjšuje (Choon in Fogg, 1989). To utegne pomeniti, da pride pri manj gostih lesovih do zmanjšanja (kontrakcije) lumnov ( r > /), pri gostejših pa do njihovega povečanja (ekspanzije) (r < 1). V -V _ r maks v 0 m v Nabrekanje masivnega lesa je nekoliko manjše od nabrekanja celičnih sten, kar je posledica vzajemnega učinka orientacije fibril, debeline posameznih slojev celičnih sten in kemične zgradbe. Zaradi nehomogenosti celične stene (različna orientacija fibril v posameznih slojih in njihova relativna debelina, različna kemična sestava, nabrekanje in togost) zveza med volumenskim in linearnimi nabreki ter vlažnostjo ni linearna, temveč poteka v procesu adsorpcije in desorpcije sigmoidno. Hitrost nabrekanja dm/dv je na začetku adsorpcije relativno majhna in narašča do u ~ 5 %. Prve sorbirane vodne molekule se namreč vežejo na celični matriks v mikro poklinah celične stene in ne sodelujejo pri povečanju volumna. V naslednjem območju (med u ~ 5 % do 25 %) narašča volumen (kvazi) linearno (dv/dm = konst.), nato spet pada. V bližini TNCS pride v "večjih" mikroporah še do kapilarne kondenzacije v smislu Kelvinove enačbe, ali pa do nabrekovalnih napetosti, ki težijo k zmanjšanju Skupnega nabreka. Sušenje lesa do absolutno suhega stanja nima praktičnega pomena, zato poleg celotnih ali »totalnih« skrčkov vrednotimo delovanje lesa še s sušilničnimi skrčki, ki povedo, kakšno je krčenje lesa od svežega stanja do ravnovesne vlažnosti, dosežene v normalni klimi (T = 20 °C in ep = 65 %), ki je približno 12 %. PsuS,L,R,T ~ Ki hi=\2% 1QQ 91 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Krčenje in nabrekanje v longitudinalni smeri Longitudinalno (osno, aksialno, vzdolžno) nabrekanje zrelega adultnega lesa je nekajkrat manjše od prečnega. Znaša le 0,1 % do 0,3 % ali je celo negativno in je praktično zanemarljivo. Vzdolžno krčenje zavirajo mikrofibrile v najbolj masivnem sloju celične stene (S2), ki potekajo bolj ali manj vzporedno z osjo vlaken in osjo drevesa. Juvenilni in krošnjev les imata večji vzdolžni skrček zaradi večjega fibrilnega kota v srednjem sloju sekundarne stene (S2) in spiralnega poteka vlaken (McAlister in Clark, 1992). Zaradi večjega mikrofibrilnega kota imata nenormalno velik skrček tudi kompresijski in tenzijski les (kompresijski do 5 % in tenzijski do 1,5 %)(Meyland, 1968). Večji longitudinalni skrček tenzijskega lesa je posledica velikega mikrofibrilnega kota v zunanjem sloju sekundarne stene (Sl), slaba kohezivnost z želatinoznim slojem in manjša lignifikacija G sloja pa tega ne more preprečiti. V kompresijskem lesu je veliko longitudinalno krčenje posledica tega, da potekajo mikrifibrile v srednjem sloju sekundarne stene pod večjim kotom. Občutnejši longitudinalni skrček juvenilnega in reakcijskega lesa se v postopku sušenja kaže v najrazličnejših veženjih. Vpliv naklona mikrofibril na krčenje treh medsebojno pravokotnih ravnin lahko razložimo s primerjavo krčenja izotropnega medija (sl. 54). Vzdolžno krčenje se z naraščajočim mikrofibrilnim kotom do 30° zmanjšuje, potem pa narašča. Pri kotih med 20° in 40° lahko postane celo negativno, kar pomeni, da pride v vzdolžni smeri na tem območju celo do rahlega nabreka. Prečno krčenje je največje pri kotu 0° in počasi pada do kota 30°, nato se strmo zmanjša. Pri kotu 45° je enako kot pri vzdolžni smeri. Slika 54 Vpliv orientacije mikrofibril (mikrofibrilni kot) na prečno tangencialno in vzdolžno krčenje celične stene. (Barber in Meyland, 1964) 92 Krčenje in nabrekanje Krčenje in nabrekanje v tangencialni in radialni smeri - prečna krčitvena anizotropija Tangencialno krčenje je na celotnem higroskopskem območju od 3,5 % do 15,0 %, v radialni smeri so skrčki približno polovico manjši (od 2,4 % do 9,0 %), z veliko variabilnostjo med lesnimi vrstami kot tudi v okviru iste vrste (pregl. 17)(Schniwind, 1989, Schroeder, 1972, Schwab, 1977, Tsoumis, 1991). Izrazito neenako krčenje v radialni in tangencialni smeri se v praksi kaže med sušenjem na oblikovnih spremembah prečnega prereza (sl. 55). Deformacije so odvisne od intenzivnosti krčenja, na katerega vpliva tudi gostota in od razmerja krčenja v tangencialni in radialni smeri. Količnik med tangencialnim in radialnim skrčkom imenujemo prečna krčitvena anizotropija (An = Pt/(3r = a T /a R ). Zaradi higroskopnosti lesa velja ekvivalentno tudi za nabrek. Za oblikovno stabilnejše vrste je prečna krčitvena anizotropija manjša od 2, pri nestabilnih pa je večja. Posledice prečne krčitvene anizotropije so: > za tangencialno orientirane deske je značilna koritavost oz. žlebatost; > kvadratast prečni prerez se pri orientiranih vzorcih (obdelavne ravnine so vzporedne z osnovnimi anatomskimi) deformira v pravokotnega, pri neorientiranih pa celo v rombastega, > okrogel prerez svežega lesa se spremeni v eliptičnega, > pri sušenju okroglega lesa se pojavijo radialne »klinaste« razpoke: Slika 55 Učinki prečne krčitvene anizotropije in sprememba oblike ter dimenzij lesa po sušenju. 93 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Razloge za prečno krčitveno anizotropijo je mogoče pripisati: > vplivu anatomskih in kemičnih razlik med radialnimi in tangencialnimi stenami vlaknastih celic (bolj značilno za les iglavcev) ter > vplivu anatomskih, fizikalnih in kemičnih razlik med posameznimi tkivi ali deli tkiv (pretežno les listavcev). Teorija o zaviralnem učinku trakovnega tkiva (sl. 56) temelji na domnevi, da se trakovno tkivo v radialni smeri krči manj kot osno in tako zavira radialno krčenje, hkrati pa je togost trakovnega tkiva v "vzdolžni" smeri večja od prečne togosti vlaken. T rakovno Osnovno Slika 56 Interpretacija zaviralnega učinka trakovnega tkiva (Skaar, 1988). Povprečno radialno krčenje lesa je 5,1 %, krčenje izoliranega trakovnega tkiva v tej smeri pa le 2,2 % (Bosshard, 1974). Manjše krčenje trakovnega tkiva pripisujemo več dejavnikom: celulozne fibrile v trakovnem tkivu potekajo vzdolž traku, kar je bolj ali manj radialno na drevesno os, nižja točka nasičenja parenhimskega tkiva upočasni sušenje in posebno pri višjih vlažnostih »zadrži« radialno krčenje; v splošnem je krčenje parenhimskega tkiva manjše v primerjavi z osnovnim (Morschauser in Preston, 1954). Obstajata negativna odvisnost med radialnim skrčkom lesa in deležem trakovnega tkiva (sl. 57), obratno velja pozitivna odvisnost s tangencialnim krčenjem. Razlike v krčenju so tudi posledica nekoliko nižje gostote trakovnega tkiva. Vzrok prečni anizotropiji krčenja je lahko tudi učinek Poissonovega razmerja, ki zaradi zaviranja radialnega krčenja osnovnega tkiva poveča njegovo krčenje v tangencialni smeri. 94 Krčenje in nabrekanje Slika 57 Vpliv deleža trakovnega tkiva na radialno krčenje bukovine (Mclntosh, 1955). Zaviralni učinek trakovnega tkiva je odvisen tudi od oblike;, kratki in široki trakovi naj bi zmanjšali radialni skrček bolj kot visoki in ozki. Z naraščanjem gostote vpliv morfologije trakov vse bolj slabi. Teorija interakcije ranega in kasnega lesa pripisuje prečno krčitveno anizotropijo menjavanju plasti ranega in gostejšega kasnega lesa v radialni smeri (sl. 58). Gostejši kasni les se krči bolj od ranega in je tudi bolj tog, zato tangencialni pasovi kasnega lesa »prisilijo« pasove redkejšega in manj togega Slika 58 Učinek interakcije ranega in kasnega lesa na prečno krčitveno anizotropijo. Skrček v radialni smeri je enak tehtani aritmetični sredini skrčkov posameznih plasti ranega in kasnega lesa. Dejansko je radialno krčenje zaradi Poissonovega razmerja še manjše (močno tangencialno krčenje poveča radialne dimenzije). 95 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA Z večjim deležem ranega lesa in večjim razmerjem gostot kasnega ter ranega lesa se prečna krčitvena anizotropija povečuje. Z naraščanjem gostote lesa se povečujeta tangencialni in radialni skrček, vendar slednji bolj, tako da se prečna krčitvena anizotropija zmanjšuje. Krčitvena anizotropija lesa se zmanjša s 3,68 na 1,23, če se njegova gostota v absolutno suhem stanju poveča od 300 kg/m 3 do 1100 kg/m 3 (sl. 59). Slika 59 Vpliv deleža ranega lesa na prečno krčitveno anizotropijo (Skaar, 1988). K razlikam krčenja prispeva tudi orientacija mikrofibril. Prečni nabrek je največji pri kotu 0° in počasi pada do kota 30°, nato se strmo zmanjša. Pri kotu 45° je enak kot pri vzdolžni smeri. V ranem lesu iglavcev je srednji mikrofibrilni kot v sekundarnem sloju (S2) radialnih sten 29°, v tangencialnih je nekoliko manjši - pribl. 23° (sl. 60). Ob neupoštevanju elastičnih lastnosti in stopnji lignifikacije bi ta razlika povzročila 15 % razliko med radialnim in tangencialnim krčenjem. Ustrezna razlika v mikrofibrilnem kotu v kasnem lesu predstavlja le 2% razlike v krčenju, kar bi ustrezalo krčitveni anizotropiji 1,11. Na prečno krčitveno anizotropijo torej vpliva več dejavnikov hkrati. Večji mikrofibrilni kot v radialnih stenah in s tem manjši radialni skrček se pripisuje tudi krožni orientaciji mikrofibril v območju pikenj, ki so pri iglavcih najštevilnejše prav v radialnih stenah. H krčitveni anizotropiji očitno prispeva tudi različna debelina srednje lamele v radialni in tangencialni smeri (sl. 61). Srednja lamela naj bi se zaradi večje vsebnosti higroskopnega pektina (heteropolisaharid) bolj krčila in nabrekala od sekundarne stene. Srednje lamele radialnih sten so debelejše in njihova skupna 96 Krčenje in nabrekanje debelina je na dolžinsko enoto v tangencialni smeri večja kot v radialni smeri. Vpliv srednje lamele je zlasti velik pri lesovih z nizko gostoto in tankimi stenami. Slika 60 Mikrofibrilni kot v radialnih in tangencialnih stenah smrekovim v odvisnosti od oddaljenosti od stržena. sl Slika 61 Vpliv debeline in deležev srednje lamele na krčenje v radialni in tangencialni smeri (Bosshard, 1974). Med kemičnimi komponentami na volumensko krčenje vpliva vsebnost inkrustriranega stabilizirajočega lignina, zato je tudi krčenje lesa listavcev, ki vsebujejo manj lignina, na splošno večje od lesa iglavcev (Schroeder, 1972, Matejak, 1984). Pri iglavcih so radialne stene bolj lignificirane (zato tudi bolj toge in manj higroskopne) od tangencialnih, kar tudi prispeva h krčitveni anizotropiji. Šibkejša lignificiranost na splošno zmanjšuje krčitveno anizotropijo in je v smiselni korelaciji z razliko v lignificiranosti radialnih in tangencialnih sten. Les dreves z višjih nadmorskih višin (nad 1300 m) se volumensko manj krči zaradi 97 ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA večje vsebnosti lignina, ki se vgradi zaradi močnejšega UV sevanja. Vpliv ekstraktivov je večji v radialnih stenah tako ranega kot kasnega lesa, ker imajo radialne stene več mikro razpok oz. prostorov, v katere lahko difundirajo ekstraktivi. Zmanjšanje nabreka je lahko proporcionalno prostoru, ki ga v celični steni zasedejo ekstraktivne snovi (Choong, 1989). Na nezaželeno prečno krčitveno in nabrekovalno anizotropijo hkrati vpliva več mehanizmov, ki se pri lesovih različno uveljavljajo. Z naraščajočo gostoto se anizotropija manjša. Na celotnem higroskopskem območju anizotropija ni konstantna (sl. 62)( Becker in Kommert, 1989, Burmaster, 1972). Vedno je največja na intervalu tik pod točko nasičenja celičnih sten, pri domačih lesnih vrstah v večini primerov med 3 in 4, pri tropskih lesovih tudi do 7 (Torelli in Gorišek, 1990). Rezultati raziskav na različnih lesnih vrstah potrjujejo, da se tekom navlaževanja radialno nabrekanje konča pri vlažnostih, ki so za 3 % do 5 % nižje od tiste, pri kateri preneha tangencialno nabrekanje, velja seveda tudi obratno; krčenje se pri sušenju v tangencialni smeri prične pred radialnim. Slika 62 Prečna krčitvena anizotropija na štirih intervalih higroskopskega območja (I - od (p ~ 100 % do (p = 87 %; II - od ep = 87 % do (p= 65 %; III - od ep =65% do (p = 34 % in IV - od ep = 34 % do tp~ 0 %>) ter P - povprečna prečna krčitvena anizotropija za B - beljavo in J - jedrovino nekaj domačih lesnih vrst. (Gorišek, 1994) Vzroki visoke prečne krčitvene anizotropije v zgornjem intervalu higroskopskega območja so v sorpcijskih in permeabilnostnih lastnostih trakovnega parenhimskega tkiva in v pojavu kolapsa že pri vlažnostih nad TNCS, tudi v primeru zelo previdnega sušenja. 98 Dimenzijsko delovanje lesa DIMENZIJSKO DELOVANJE LESA Večjega ali manjšega delovanja lesa zaradi nihajočih klimatskih razmer ne moremo preprečiti. Pri vgraditvi lesa je treba strogo paziti, da je lesna vlažnost enaka ravnovesni vlažnosti, ki ustreza povprečnim klimatskim razmeram na mestu vgraditve, sicer bo prišlo do dimenzijskih in oblikovnih sprememb izdelkov. Delovanja lesa ne moremo popolnoma enačiti s krčenjem lesa pri sušenju, saj je mogoče, da se les določene vrste znatno krči pri prvem sušenju, do zračne suhosti (u = 12 % do 15 %), vendar bo doživel v spreminjajoči se klimi v uporabi relativno majhne dimenzijske spremembe. Delovanje lesa in od njega odvisna dimenzijska stabilnost sta odvisni od inherentnih ali specifičnih lastnosti, t.j. določeni vrsti vrojenih lastnosti (ravnovesna vlažnost, uravnovesna hitrost, skrček oz. nabrek, oblikovna stabilnost ...), in nespecifičnih, ki veljajo za vse vrste enako (dimenzije, orientiranost, način razžagovanja, potek vlaken, konstrukcija, površinska obelava, klima okolja ...) (Cividini, 1992). Kljub pazljivemu in pravilnemu sušenju torej ne moremo trajno zagotoviti stalne vlažnosti lesa. Pomembnejše od spremembe vlažnosti pa so dimenzijske spremembe, ki so vezane na sprejemanje (nabrekanje) in oddajanje (krčenje) higroskopske vode. Zveza med lesno vlažnostjo in nabrekanjem v celotnem higroskopskem območju ni linearna, za prakso pa je sprejemljiva v območju lesne vlažnosti od u =7 % do u = 20 % (kvazi linearno območje). Interval ustreza ravnovesnim stanjem med relativnima zračnima vlažnostima od
les osušimo na primemo vlažnost in vzdržujemo konstantne klimatske
pogoje na mestu uporabe (vlažnost mora ustrezati povprečnim
klimatskim razmeram kjer les uporabljamo - predvsem relativni zračni
vlažnosti in tudi temperaturi),
> uporabimo stabilnejše lesne vrste in izberemo usmerjene elemente (les
se v tangencialni smeri krči in nabreka dvakrat bolj kot v radialni),
pazimo, daje les brez izrazitih rastnih posebnosti,
99
ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA
> izvedemo pravilne postopke vgradnje (preprečevanje dodatnega
navlaževanja od sovgrajenih materialov, primerna hidro izolacija,
uporaba pomožnih materialov - npr. lepila, ki ne vsebujejo vode),
> les zaščitimo s premaznimi sredstvi, ki delujejo hidrofobno in
upočasnijo hitrost uravnovešanja in
> les obdelamo s posebnimi postopki za zagotavljanje dimenzijske
obstojnosti lesa.
Relativna zračna vlažnost [%]
Slika 63 Zmanjšano delovaje lesa zaradi sorpcijske histereze.
Krčenje in nabrekanje lesa v kvazilineamem območju vrednotimo s kazalniki
dimenzijske stabilnosti: diferencialnim nabrekom ( q ), koeficientom nabrekanja
(h) sorpcijskim kvocientom (s) in časom ali polovičnim časom uravnovešanja
(to.s). Kazalnike uporabljamo enakovredno za krčenje ali nabrekanje lesa.
Določanje kazalnikov dimenzijske stabilnosti je zaradi uravnovešanja in
anizotropnega značaja delovanja lesa dolgotrajno in zamudno. Poskus izvedemo
po parih, tako da lahko primerjalno vrednotimo podatke za procesa adsorpcije in
desorpcije. Vse sveže vzorce najprej osušimo v normalni klimi (20° / 60 %). Po
uravnovešanju jih polovico navlažimo na relativni zračni vlažnosti okrog 80 %,
drugo polovico pa osušimo v klimi z relativno zračno vlažnostjo pribl. 30 %. Po
uravnovešanju vzorce stehtamo in dimenzijsko premerimo, zamenjamo klimi ter
ponovno uravnovesimo. Po ponovnih meritvah vzorce še osušimo do absolutno
suhega stanja (sl. 64).
100
Dimenzijsko delovanje lesa
Relativna zračna vlažnost [%]
Relativna zračna vlažnost [%]
Slika 64 Štiristopenjsko določanje kazalnikov dimenzijske stabilnosti v procesu
adsorpcije in desorpcije.
Diferencialni nabrek q (velja tudi za skrček) je med najprimernejšimi kazalniki
dimenzijskih sprememb. V radialni (q R ) in tangencialni (q T ) smeri podaja
spremembo prečnih dimenzij lesa, če se lesna vlažnost spremeni za 1 %:
q T =
A a T
A u
Qr =
A a R
A u
Koeficient nabrekanja v radialni ( h R ) in tangencialni (h T ) smeri nakazuje
spremembo dimenzije, če se relativna zračna vlažnost spremeni za 1 %:
h T =
A a T
tscp
h R —
A a R
A (p
Sorpciiski kvocient ( 5 ) je neposredna mera lesne higroskopnosti, saj pove, za
koliko se spremeni lesna vlažnost, če se relativna zračna vlažnost spremeni za
1 %:
s
h A u
q A (p
V zgornjih enačbah je:
M
a- —
/
nabrek (ali skrček) na obravnavanem intervalu
101
ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA
Au sprememba vlažnosti na istem intervalu
A(p sprememba relativne zračne vlažnosti.
Dimenzijsko obnašanje lesa velja za ugodno, če sta diferencialna nabreka in
koeficienta nabrekanja v tangencialni in radialni smeri majhna (pregl. 18).
Anizotropija kvazilineamega območja, ki je podana z razmerjem med
diferencialnima nabrekoma ali koeficientoma nabrekanja v tangencialni ali
radialni smeri ( qfqR , hjlhf), pa nakazuje stabilnost oblike v nihajoči klimi.
Preglednica 18 Maksimalni nabreki, nabrekovalni koeficienti in diferencialno
nabrekanje za iglavce in listavce (Ugrenovič, 1950, Gorišek, 1992).
102
Dimenzijsko delovanje lesa
S kazalniki dimenzijske stabilnosti relativno enostavno predpostavimo krčenje in
nabrekanje na orientiranih elementih, ko obdelavnostne ravnine sovpadajo z
osnovnimi anatomskimi. V predelavi lesa ne moremo zagotoviti, da bi bil ves les
strogo orientiran, zato nastopijo težave nestabilnosti oblike prečnih prerezov
neorientiranih elementov. Pri takšnih elementih je potrebno poleg radialnih ali
tangencialnih skrčkov upoštevati še rombaste deformacije. Les kot kompozit z
značilno ortotropno zgradbo zato obravnavamo s transformacijo iz referenčnega
koordinatnega sistema (sl. 65). Takšna obravnava je nujna, ko ena ali več
lastnosti odvisnih od smeri (npr. napetost, deformacije) ne sovpada z osnovnimi
anatomskimi. Osnovno stanje lahko transformiramo iz enega koordinatnega
sistema v drugega, pa naj gre za premik, rotacijo ali oboje.
Elementi matrike novega sistema se izražajo s produktom med transformacijsko
matriko, osnovno matriko in transponirano transformacijsko matriko.
A' = TAT t
Slika 65 Deformacija prečnega prereza pri sušenju neorientiranega elementa.
Elementi matrike A so znane komponente v osnovnem koordinatnem sistemu; A'
predstavlja matriko komponent v transformiranem sistemu; T je transformacijska
matrika, T t pa transponirana transformacijska matrika.
Elementi transformacijske matrike vsebujejo smeri naklona, ki se izražajo s
kosinusi zasukov - rotacij posameznih osi:
a -j = cos (x j, Xj)
V tridimenzionalnem prostoru jih je 9 (od katerih je 6 neodvisnih), v ravninskem
pa 4. Velikost kota je določena med pozitivno smerjo osi premaknjenega sistema
(x )) in osjo osnovnega sistema (xj ) v smeri vrtenja urinega kazalca.
103
ZGRADBA IN LASTNOSTI LESA
Za dvodimenzionalni sistem, ki ga uporabimo tudi pri obravnavanju deformacije
prečnega prereza, je izpeljava relativno enostavna:
cos (p sin (p
-sin<^ cos