LES. kapilarna porozna snov in kompozit. Širok spekter fizikalnih in mehanskih karakteristik

Transcript

1 LES kapilarna porozna snov in kompozit Širok spekter fizikalnih in mehanskih karakteristik vizualne (npr. tekstura, struktura, potek vlaken, barva), fizikalne (električne, akustične, toplotne) mehanske (trdota, tlačna natezna in upogibna trdnost, udarna ţilavost), mehanske in površinske obdelave, dimenzijska stabilnost in biološka odpornost.. 1

2 vizualne tekstura, struktura, potek vlaken, barva, EBANOVINA TIK PADUK ZEBRANO OSAGE fizikalne gostota, krčenje, električne, akustične, toplotne BUKOVINA tang. 2,05 % rad. 1,00 % TIKOVINA tang. 0,95 % rad. 0,50 % 2

3 dimenzijska stabilnost različno krčenje L, R in L prečna krčitvena anizotropija krčenje in nabrekanje zaradi higroskopnosti mehanske trdota, tlačna, natezna in upogibna trdnost, udarna ţilavost 3

4 mehanske in površinske obdelave, biološka odpornost obarvanje razgradnja 4

5 Funkcije gozda Fotosinteza Sončna svetloba, CO 2 Energija, sladkor, O 2 Akumulacija ogljika Uravnavanje ekstremnih klimatskih razmer Raznovrsten habitat Rastlinstvo in živalstvo Akumulacija vode Erozijska zaščita in kontrola (eolska in fluvialna) Zmanjševanje površin tropskega gozda VZROKI : - poţigalništvo za pridobivanje agrarnih površin, - izkoriščanje lesne surovine, - pridobivanje nafte in - onesnaţenje ozračja (povečana koncentracija CO 2 učinek tople grede)

6 Stanje v Sloveniji Poraščenost Slovenije z gozdom se povečuje Prednosti lesa kot inženirskega materiala Obnovljiv vir Biološko razgradljiv material Mogoče ga je reciklirati Izdelava proizvodov iz lesa je energijsko manj potratna Ugodno je razmerje med trdnostjo in gostoto Gozdovi zmanjšujejo učinek tople grede (vezava C) 6

7 Široka uporaba lesa pohištvo, gradbene konstrukcije, papirništvo, lesni kompoziti in reintegrirani materiali, energetski vir in lesno-polimerni kompoziti. Interdisciplinarni pristop k optimalnemu izkoriščanju lesne surovine predvideno končno uporabnost lesa; način predelave hlodovine in ţaganega lesa v elemente, izbiro pravilne tehnologije predelave in poznavanje zgradbe in lastnosti lesa, ter njegove variabilnosti in heterogenosti. 7

8 Izbira najprimernejšega lesa temelji vrsti in namembnosti izdelka, mestu vgraditve (predvsem zaradi ustrezne trajnosti ali trdnosti lesne vrste), tehnoloških lastnostih lesne vrste(odpornost proti obrabi, trdota, trdnosti), fizikalnih lastnostih (dimenzijska stabilnost, toplotna in zvočna izolativnost, elektrostatičnost) in estetskih lastnosti vrste (dekorativnost, barva, tekstura). gostota, naravna trajnost in moţnost impregniranja, potek vzdolţnih elementov, trdnost, dimenzijska stabilnost, teţavnost sušenja in moţnost pojava napak, obdelavnost, vijačenje, ţebljanje, luščenje ali rezanje furnirja, površinska obdelava, lepljenje, Relevantne lastnosti za oceno uporabnosti lesa dekorativne posebnost in obarvanja. 8

9 Heterogenost in variabilnost akacija oreh hrast jesen bukev češnja javor Trdota Brinell [MPa] PRIRASTNE ZANČILNOSTI vrojene lastnosti drevesna vrste, pogoji rasti, kakovost rastišča, vrsta in sestava tal, socialni status, preskrba z vodo in klimatske razmere količina padavin, temperatura, osončenost, vremenske ujme (pozeba, žled, snegolom, mraz ). 9

10 Oblika drevesa debla (hlodovine) Samostojno stoječa drevesa (gozdni rob, mešani nižinski gozd, travniška drevesa) krošnjo sega do tal, deblo je stožčasto, veje in grče so prisotne po vsej višini debla, večji je delež mladostnega lesa, več je beljave, branike so širše Gospodarski sestoj omejen prostor, na gozdnih tleh je manj svetlobe, visoko valjasto deblo vejami je malo vrasle grče, na vrhu je kratka krošnja manjši letni prirastek in delež beljave je manjši Značilnosti polnolesnega in malolesnega debla 10

11 Les - kapilarna porozna snov Skorja Beljava Jedrovina Strţen Branika LES vaskularno (žilasto) prevajalno trajno tkivo, ki ga proizvajajo lesnate rastline v sekundarni rasti. Les - kapilarna porozna snov Makrokapilare heterogeni celični elementi - tudi medcelične prostori s premeri nad 2 m Mikrokapilare intermikrofibrilni in intramikrofibrilni prostori) v celični sten (r = 1-10 nm) 11

12 Les - kapilarna porozna snov Svež les vsebuje večje ali manjše količine vode kot: prosto ali kapilarno vodo v celičnih lumnih vezano ali higroskopno vodo v celičnih stenah paro v celičnih lumnih KOMPOZITNA zgradba lesa - zrcali se na vseh nivojih makroskopskem mikroskopskem submikroskopskem makromolekularnem 12

13 ZGRADBA LESA MAKROSKOPSKA MIKROSKOPSKA SUBMIKROSKOPSKA MAKRO- MOLEKULARNA ORIENTACIJA POTEK VLAKEN JEDROVINA BELJAVA DISKOLORACIJE TEKSTURA BRANIKE DELEŢ RANEGA IN KASNEGA LESA ANOMANE RASTI (GRČE, REAKCISJKI LES DOLŢINA VLAKEN DEBELINA CELIČNIH STEN IN ŠIRINA LUMNOV SMOLNI KANALI, LATEKSNI KANALI POTEK VLAKEN PLASTNA ZGRADBA CELIČNE STENE FIBRILNI KOT DEBELINA IN DELEŢ CELIČNIH SLOJEV DELEŢI,OSNOVNE ENOTE, POLIMERNA STANJA, FUNKCIJE IN VLOGA CELULOZE, HEMICELULOZ, LIGNINA IN EKSTRAKTIVOV. Kemična zgradba lesa Komponenta Delež [%] Polimerno stanje Osnovne Iglavci Listavci Enote Vloga Celuloza 42 ± 2 45 ± 2 Kristalizacija orientiranost velike, linearne molekule Hemiceluloze 27 ± 2 30 ± 2 Kristalizacija - izjemno, manjše molekule Lignin 28 ± 2 20 ± 2 3-D polimer amorfen Ekstraktivi 3 ± 2 5 ± 4 komponente topne v organskih topilih glukoza galaktoza, manoza, Ksiloza fenilpropan terpeni, polifenoli, stilbeni vlako matriks raznolikost 13

14 b = 1,03 nm 10/6/2008 Makromolekularna zgradba Celuloza izkazujejo monoklinsko kristalizacijo a = 8,84 nm ; b = 1,03 nm; c = 0,79 nm α = γ = 0 ; β = 84 sosednje molekule ležijo vzporedno z močnejšimi lateralnimi vodikovimi - 25 kj/mol 002 (razdalja med O atomoma je 275 pm) in šibkejšimi van der Waalsovimi vezmi (razdalja med O atomoma je 350 pm) = 84 Vodikove vezi a = 0,84 nm Makromolekularna zgradba Celuloza AMORFNA PODROČAJA dolžina celulozne verige je pribl. 5 m (DP 10000) kristalno področje elementarna fibrila (5 10) x (3 4) x (30 60) nm ena celulozna molekula prehaja preko več področij kristalizacije in vmesnih delov manjše kristalizacije KRISTALNA PODROČAJA AMORFNA PODROČAJA 14

15 Makromolekularna zgradba Hemiceluloze nizkomolekularni polisaharidi (50 do 400 pentoznih in heksozni sladkornih enot) nizka kristalizacija Makromolekularna zgradba Lignin Tridimenzionalni aromatični polimerni kompozit iz fenilpropanolnih enot Je inkrustriran med intercelularne prostore celične stene, ko so celuloza in polioze že odložene Vsebnost - iglavci 23 do 33 %; listavci 16 do25 % Največji delež v srednji lameli in primarni steni R, R = H p-kumarilno alkohol R = OCH3, R = H koniferilni alkohol R, R = OCH3 sinapilni alkohol 15

16 Makromolekularna zgradba Ligninsko ogljikohidratni kompleks - LCC Lamelna struktura vseh komponent Na celulozne kristalite so vezane hemiceluloze Hemiceluloze so vključene tudi v lignin matriks Celulozne molekule prehajajo iz kristalitnega dela v amorfni (matriks) Makromolekularna zgradba Ligninsko ogljikohidratni kompleks - LCC LIGNIN POLIOZE CELULOZA Lignin je inkrustriran v lečasto tangencialno orinetiranih lamelah LIGNIN CELULOZA POLIOZE Prečna in vzdolžna shema vezave osnovnih komponent 16

17 Povezave ligninsko ogljikohidratnega kompleksa (LCC) Eterske vezi med hidroksilnimi OH skupinami na α položaju lignina z alkoholnim hidroksilom sladkorja Estrske vezi med alkoholnimi skupinami lignina s karboksilnimi skupinami uronskih skupin Hemiacetalne in acetalne vezi karbonilnih skupin na β položaju lignina z ogljikohidrati Glikozidne vezi s primarnimi alkoholi na položaju γ fenilpropanskih enot Glikozidne vezi na fenolni hidroksilni skupini lignina Esterske vezi karboksilnih skupin cinematske kisline v ligninu z alkoholnim OH ogljikohidratov Makromolekularna zgradba Ligninsko ogljikohidratni kompleks - LCC Delež celuloze, polioz in lignina v posameznih slojih celične stene vlaken P C P C P Celuloza C 40 Polioze P 20 L L L Lignin L M P S1 S2 S3 17

18 Submikroskopska zgradba - tipično vlakno W S3 S2 S1 P W bradavičasti sloj S3 notranji sloj sekundarne stene S2 srednji sloj sekundarne stene S1 zunanji sloj sekundarne stene Pr primarna stena ML medcelični sloj Submikroskopska zgradba - tipično vlako Za tipično lesno vlakno je značilna laminarna zgradba ML - ligninsko-pektinski kompleks brez mikrofibril Pr - slučajno vključene mikrofibrile brez plastne strukture debelina do 1 m S1 - tanek (2-4 lamele) z nasprotno spiralnimi mikrofibrilami pod kotom 60 z osjo celice (izmenjavajoč S in Z heliks) debelina do 1 m 18

19 Submikroskopska zgradba - tipično vlakno S2 - najdebelejši (30 do 150 lamel) "desno" spiralne mikrofibrile ( Z heliks) pod različnimi koti (adultni les MFA do 10, juvenilni les - do 30, kompresijski les - do 45 ) debelina do 10 m S3- tanek, z nasprotno spiralnimi mikrofibrilami MFA 80 debelina do 1 m W - pretežno lignin in hemiceluloza (citoplazma) značilen za iglavce in nižje razvite listavce Submikroskopska zgradba - traheje Pr vzporedne lamele z ravnimi mikrofibrilami zunanja s prečno orientacijo srednja s slučajno razporeditvijo notranja s prečno večlamelno strukturo Sc - 1. tip tipična triplastna struktura (S1 in S3 debelejši), 2. tip neplastna struktura s položnim heliksom 3. tip večplastna struktura s spreminjajočim se heliksom (lokast vzorec) 19

20 Submikroskopska zgradba - parenhim iglavcev 5 zgradbenih tipov 2 sta prevladujoča Primarna stena P1 mikrofibrile vzporedne z osjo celice P2 mrežasta struktura in prepletenost mikrofibril P3 več lamelna struktura z izmenjavajočim potekom mikrofibril pod kotom 30 do 60 Zaščitni sloj P1 P2 P3 Submikroskopska zgradba - parenhim iglavcev Primarna stena P večslojna z različnimi orientacijami mikrofibril Sekundarna stena S odebeljena sloja z različno orientacijo heliksa Zaščitni sloj P S1 S2 Primarna stena in notranji zaščitni sloj se formirata v beljavi, na meji z jedrovino pa se naložita še sekundarna stena in notranji zaščitni sloj 20

21 Submikroskopska zgradba - parenhim listavcev Trakovni parenhim značilna večplastna zgradba iz izotropnega in zaščitnega sloja velika vsebnost hemiceluloz, pektina in celuloznih mikrofibril; sloji postanejo bogati z ligninom, ko se odloži notranja sekundarna stena. Vzdolžni parenhim dvokomponentna zgradba lignificiranega celuloznega sloja (CL) in amorfnega sloja (AL) tipi: 3CL; 3CL + AL 3CL + AL + icl Celični elementi iglavcev Parenhimsko tkivo D E F G Traheida ranega lesa A B Traheida kasnega lesa 21

22 Celični elementi listavcev Libriformska vlakna Vlaknaste traheide Trahejni členi Septirana vlakna Celični elementi listavcev Vzdolžne trakovne fzuiformne Vaskularne traheide Vazicentrične traheide Parenhimske celice 22

23 Mikroskopska zgradba iglavcev P P R T prečni prerez radialni prerez tangencialni prerez SK L SK L SK R r.l. k.l. vzdolžni smolni kanal radialni smolni kanal rani les kasni les T R Mikroskopska zgradba listavcev vlakno traheja P P R T prečni prerez radialni prerez tangencialni prerez L st Pa L st Pa lestvičasta perforacija strženov trak vzdolžni parenhim L T R 23

24 Mikroskopska zgradba listavcev povprečne dimenzije celic naših iglavcev in listavcev Abies alba Picea abies Pinus sylvestris Gostota kg/m Dimenzije traheid dolžina m premer m Delež % Traheide Vzdolžni parenhim sledi Trakovi Fagus silvatica Quercus robur Populus spp. Gostota kg/m Dimenzije trahej dolžina m premer m Delež % Vlakna Traheje Parenhim Trakovi