Technologia drewna.

Drewno jest substancją organiczną składającą się w głównej mierze z węgla, tlenu, wodoru oraz substancji chemicznych, będącymi substancjami mineralnymi dającymi w wyniku spalania popiół. Powstałe podczas spalania substancje są solami kwasu węglowego, siarkowego i solnego oraz organicznych kwasów octowego i mrówkowego które rozpuszczają się w wodzie, a także solami kwasu fosforowego i węglowego, tlenkami Mg i Fe, węglanem wapnia które nie rozpuszczają się w wodzie. Węglowodany stanowiące 50% masy drewna są spolimeryzowanymi wielocukrami. Stopień polimeryzacji umożliwia podział na chemiceluloze (C₆H₁₂O₅)_n wielocukry polaryzowane dla n<200 i celulozę dla n>200.

Celuloza składa się ze związków wielocząsteczkowych monomerów glikozowych powiązanych mostkami tlenowymi. Własności techniczne polimeryzacji wzrastają wraz ze wzrostem stopnia polimeryzacji. Ułożone blisko siebie łańcuchy celulozowe wiążą się tak zwanymi siłami Van der Waalsa i powstają w ten sposób micele celulozowe. Celuloza dzięki silnemu powinowactwu do wody, która gromadzi się na powierzchniach jej włókien skutkuje rozszerzeniem się micel oraz pęcznieniem. Micele z kolei połączone w wiązki tworzą włókna celulozowe, które nie rozpuszczają się w wodzie, słabych kwasach i zasadach. Natomiast stężone kwasy i zasady powyżej 30 % rozkładają się na cukry proste.

Chemiceluloza jest to węglowodan nierozpuszczalny w wodzie, jednak pod działaniem słabych kwasów rozpadają się na cukry proste.

Celuloza oraz chemiceluloza są substancjami szkieletowymi drewna. Lepiszczem wypełniającym i łączącym szkielet jest lignina inaczej zwana drzewnikiem. Lignina ma skomplikowaną budowę chemiczną rozpuszcza się w alkalich. Natomiast, poddając ją działaniu większej od 130^oC robi się plastyczna jednak wraca do swojej postaci pierwotnej po ostudzeniu.

Substancje pektynowe składają się z cukrów prostych oraz kwasów uranowych. Dzięki zawartości grupy COOH (hydrofilowa grupa karboksylowa) posiadają zdolność do wchłaniania wody oraz pęcznienia. Poddając je obróbce hydrotermicznej robią się plastyczne, a pod wpływem działania wody i temperatury rozpuszczają się w wodzie.

Ponadto w drewnie są również substancje ochronne. W zależności od ich kompozycji zmienia się zapach, barwa, zwilżalność powierzchni drewna a także przyczepność substancji powłokowych.

Procentowa zawartość substancji chemicznych

Rodzaj substancji	Drzewa iglaste	Drzewa liściaste
Celuloza	40-60	35-55
Chemiceluloza	7-15	19-21
Substancje pektynowe	4-6	6-12
Substancje ochronne	3-4	2-3
Lignina	25-35	22-30

Częścią przewodzącą w drewnie iglastym są cewki wypełniające 90% jego objętości. Cewki mają kształt wrzecionowaty o długości 10-12mm i średnicy około0,3mm,są silnie zdrewniałymi komórkami. W zależności od rodzaju drewna wyróżniamy cewki drewna wczesnego mające cieńsze błony komórkowe oraz cewki drewna późnego o nieco grubszych błonach komórkowych.

W drewnach iglastych mamy także tkankę miękiszową, przewody żywiczne mające kształt kanałów wzdłużnych i poprzecznych uformowanych z układu komórek. U niektórych drzew przewody żywiczne są wyłącznie w korze (np. jodła).

Drzewa liściaste.

Głównym składnikiem budowy drzew liściastych są tkanki przewodzące mające wygląd rur o długości nawet kilkudziesięciu centymetrów oraz średnicy 2-3 mm. Woda i substancje odżywcze dostają się w kierunku promieniowym za pomocą otworów znajdujących się na ścianach naczyń. Składnikiem zwiększającym własności mechaniczne drzewa liściastego jest włókno drzewne. Elementy te są podobne do cewek jednak ich średnica ma nie więcej niż ułamek mikrometra. Zajmują około 60-70% drzewa liściastego, wypełniając przestrzeń między naczyniami. W zależności od gatunku drzewa naczynia poukładane są na przekrojach słojów za pomocą widocznych pierścieni lub mają także nieregularne rozmieszczenie. Stąd też mamy podział drzew na:

- pierścieniowo - naczyniowe (akacja, dąb, wiąz jesion)

- rozpierzchło - naczyniowe (buk, grab, olcha, brzoza, topola)

Drzewo jest wypełnione błonami komórkowymi poukładanymi warstwami dookoła rdzenia. W zależności od rodzaju drzewa; wczesne czy późne mają one różne stopnie zdrewnienia.

Elementy włókniste wpływają na warstwowość przyrostów rocznych.

Pod wzglądem gęstości rozróżnia się drewna: bardzo lekkie (>400 kg/m³),lekkie(400-600 kg/m³),umiarkowanie gęste (600-700 kg/m³),gęste (700-800 kg/m³), bardzo gęste (<800 kg/m³).Wzrost gęstości powoduje wzrost twardości drewna. Gęstość części bielastej zwanej bielą jest około 2-2,5 mniejsza od gęstości części twardzielowej zwanej twardzielą. Biorąc pod uwagę opór skrawania podczas obróbki zmienia się on, gdy narzędzie przechodzi w poszczególnych warstwach. Dlatego, ważny jest ruch narzędzia na danym przekroju. Przekrój promieniowy obrabia się w obu kierunkach i dość dokładnie. Natomiast w przekroju statycznym przerabia się prowadząc ostrze od strony odziomkowej do wierzchołka. Dokładność obróbki jest większa przy skrawaniu części o większych gęstościach. Drewno ma budowę anizotropową co oznacza że jest nie jednorodne, różnokierunkowe i posiada w różnych kierunkach różne własności.

Ze względu na powierzchnię najłatwiej skrawalną częścią jest biel, dzięki swej chropowatej powierzchni i zniekształceniu, jednak tym samym jest ona trudna do wykończenia. Materiał z części bielastej łatwiej się skleja oraz łatwo impregnuje. Przez porowatość struktury materiału drzewnego ma on dużą przewodność cieplną która mieści się w graniach 0,14-0,19 ckal/m/h/^oC. Zdolność drewna do wchłaniania wody nazywamy higroskopijnością. Pobranie lub oddanie wody higroskopijnej powoduje pęcznienie lub kurczenie się drewna. Za granicę higroskopijności uznaje się wilgotność około 30%. Higroskopijność wpływa na zmianę wymiarów w zależności od danego kierunku w jakim rozpatrujemy. Odpowiada to zmianą w kierunku stycznym 6-12%, promieniowym 3-6% oraz wzdłużnym około 0,1-0,2%. W zależności od celu wykorzystania materiału oraz aby zachować stabilność wymiarową, drewno należy suszyć w pomieszczeniach zamkniętych ogrzewanych jeśli wilgotność ma być w granicach 8-12%, w pomieszczeniach ogrzewanych z otoczeniem zewnętrznym 15-18% oraz na wolnej przestrzeni zakrytej 18-22%. Dzięki porowatości drewno ma możliwość chłonięcia dźwięków które utrzymuje się w granicach 8-10% energii padającej.

Przerabianie drewna.

Przerób drewna rozpoczynamy od wzdłużnego przepiłowania w celu otrzymania tarcicy, z materiału o średnicy co najmniej 70mm. Otrzymujemy dłużyce i kłody oraz wyrzynki. Dłużyce powinny mieć wymiary powyżej 8m drewno iglaste i powyżej 6m drewno liściaste natomiast kłody to surowiec drzewny o wymiarach 2,5-8m drewna iglastego oraz 2,5-6m drewna liściastego, wyrzynki surowiec o wymiarach od 0,5-2,5m, który eliminuje wady krzywizny i inne wady biologiczne. Przecieramy materiał na tarcice o określonych wymiarach jednokrotnie lub dwukrotnie(pryzmowanie). Następnie sortujemy tarcice w zależności od grubości i od ułożenia słojów(promieniowy, styczny, półpromieniowy), wad (takich jak sęki, porażenia biologiczne np. grzyby) i konserwujemy.

W zależności od grubości możemy podzielić na: deseczki(6-10mm), deski(12-48mm), bale (powyżej 50mm i jednocześnie większa od 2-krotnej grubości), listwy (12-30mm oraz mniej więcej taka sama szerokość), łaty (30-100mm, szerokość zbliżona do grubości), krawędziaki (100-200mm, szerokość zbliżona do grubości), belki (powyżej 100mm i szerokość większa od grubości).

Tarcica liściasta ma podział na 4 klasy natomiast iglasta na 6 klas. Każda klasa ma przypisany kolor w celu oznaczenia I klasę oznaczamy kolorem niebieskim, II kl. zielonym, III kl. czerwonym, IV kl. żółtym, V kl. białym, VI kl. czarnym.

Drewno układamy w stosy na wysokość 3m, warstwowo z przekładkami o jednakowych grubościach i zadaszamy.

Forniry. W celu uzyskania forniru wybieramy materiał z największymi średnicami, skrawamy obrotowo bądź płasko maszynowo w kierunku prostopadłym do włókien.

Kolejność przebiegu procesu:

- Przygotowujemy materiał do przerobu na forniry - rozdzielamy dłużyce i kłody aby otrzymać wyrzynki.

- Uplastyczniamy wyrzynki gotując materiał w wodzie albo nasycamy parą wodną(szybciej się uplastyczni) Przy promieniu 1cm wyrzynka wystarczy ok. 1,5-2 godziny przy naparowaniu oraz ok. 2-3 godziny gotując.

Forniry mogą być przeznaczone na klejki bądź okleiny. Forniry suszy się w suszarkach rolkowych albo taśmowych aż do uzyskania wilgotności 14-18%. Forniry przeznaczone na okleinę pakuje się w paczki w których rozmieszcza się je zachowując kolejność skrawanych arkuszy wyrzynków.

Sklejka jest naturalnym materiałem sklejonym z nieparzystej liczby arkuszy forniru, każda warstwa jest ułożona prostopadle do przylegających z góry i z dołu.

Podczas procesu technologicznego produkcji sklejki wykonujemy takie czynności: kompletujemy wsady, nakładamy klej, prasujemy, formatyzowujemy, sortujemy. Sklejamy sklejkę klejami mocznikowo - formaldehydowymi lub też fenolowo-formaldehydowymi które są odporne na działanie wody. Kleimy za pomocą pras wielopółkowych przy odpowiednich parametrach ciśnienia. Są to odpowiednio dla gatunków miękkich 1-1,4kPa oraz dla twardych 1,4-3kPa. Przy klejach mocznikowych wybieramy temperaturę prasowania między 100 a 130^oC, a dla klejów odpornych na działanie wody między 130 a 160^oC. Grubość sklejki ma wpływ na czas potrzebny do jej sprasowania, wynosi on około 4 minut dodajemy po 30 sekund przy każdym mm grubości. Sklejkę znaczymy biorąc pod uwagę gatunek drewna i stempluje się na zewnątrz wszystkie arkusze oznaczeniami np. Bk -buk, Db - dąb O nieoszlifowane,1 -szlifowane, W-wodoodporne itp.

W zależności od ilości wad na zewnętrznej warstwie wyróżniamy 4 klasy. Produkcja sklejki ma na celu uzyskanie własności znacznie lepszych niż w drewnie a przede wszystkim rozłożenie natężenia oraz równe własności fizyczne i mechaniczne na całej powierzchni, jak również powiększenie wytrzymałości, otrzymanie dużych wymiarów powierzchni, łatwiejsze zginanie i formowanie. Uzyskany wyrób nie wymaga dużego nakładu pracy a można uzyskać materiały z dużą twardością i bardzo dobrymi własnościami wytrzymałościowymi.

Płyta wiórowa. Do produkcji powstania płyty wiórowej używamy wiórów, których wymiary są podobne do siebie w każdej z kolejnych warstw przekroju oraz minimalnego stosowania kleju.

Na technologie tworzenia płyty wiórowej składają się czynności:

- przygotowania wiórów co oznacza posortowanie(metoda sitowa bądź pneumatyczna) i rozdrobnienie ich;

- obrobiony wstępnie materiał zaklejamy poprzez dodanie kleju w ilości 8-12 % całej masy;

- całość wióry z klejem formatuje się w kobierzec pozwalający uzyskać grubość płyty już po sprasowaniu;

- Prasowanie płyty obejmuje dwa etapy : wstępny oraz doprasowaniem właściwym ciśnieniem 1- 4 MPa w średnim czasie około 0,6-1s na każdy mm grubości.

- odwodnienie płyty

- zahartowanie

- klimatyzacja płyty.

Płyty wiórowe mają dużo zalet między innymi: otrzymujemy duże wymiary, po odpowiednich zabiegach otrzymujemy płyty odporne na wodę, mają także stabilność wymiarową. Za wadę płyt możemy uznać ich dużą masę.

Płyta pilśniowa.

Płyty pilśniowe produkuje się z włókien lignocelulozowych ze środkami chemicznymi lub bez nich. Tworzywo takie powstaje na skutek powtórnego scalenia rozwłóknionej substancji drzewnej gdzie zostały zmienione przemiany fizykochemiczne na skutek procesu wytwarzania. Płyty pilśniowe dzielimy na: twarde (T) - które podaje się procesom sprasowaniu i termicznemu hartowaniu zaś ich powierzchnia licowa jest gładka oraz porowate(P) bez tych zabiegów natomiast z powierzchnią szorstką i chropowatą.

Do zalet płyt pilśniowych możemy zaliczyć jednorodny materiał, duży rozmiar nie wiele operacji obrabiania (wystarczy poobcinać na dany wymiar i dodatkowo uszlachetnienie obróbki powierzchni licowej). Niewątpliwie wadami płyt pilśniowych są różnorodności w powierzchniach przeciwległych oraz nierówna powierzchnia jak i występujące na nich przebarwienia.

Celuloza drzewna.

Kolejność procesów przy otrzymywaniu celulozy drzewnej:

- dzielenie surowca na zrębki,

- segregacja zrębków,

- rozwiercanie, które dzieli się na rozwiercenie kwaśne stosując kwaśne siarczany wapnia, sodu, rozwiercenie metodą alkaliczną stosując ług sodowy (wodorotlenek sodu) i rozwiercenie mieszanie czyli kwaśno - alkaliczne. O wyborze metody decyduje rodzaj materiału oraz czystość celulozy. Rozwiercanie drewnaprzebiega najefektywniej gotując od 4 do 6 godzin w temperaturze 16,5-55^oC i przy ciśnieniu 6-8 atm.

- gotowanie, dzięki któremu wpływ temperatury i działanie substancji chemicznych hemicelulozy zostają scukrzone i rozpadają się kwasy, natomiast żywice i woski zmydlają się. Efektem tego procesu jest powstanie czystej celulozy.

- parowanie które oczyszcza wygotowaną masę celulozową

- odwadnianie celulozy prowadzi się na walcach wyżynających wstęgę celulozy.

- suszenie między walcami suszącymi

- ekstrakcja która ma za zadanie oddzielić od drewna substancje rozpuszczalne za pomocą rozpuszczalnika; przy barwnikach stosuje się wodę, a przy żywicach i olejkach substancji organicznych benzyny, aceton, alkohol. W czasie ekstrakcji nie zostaje naruszony szkielet drewna i dzięki temu drewno można dalej przerabiać

- hydroliza drewna. Drewno poddaje się działaniu 40% stężonym kwasom solnym i siarkowym, co zapewnia rozdrobnienie go. Następnie zostaje wymyte kwasem w hydrolizerach. Podczas mycia w ostatnim hydrolizerze kwas ma już zawartość około 30-35% cukru. Później zagęszczamy w wyparkach do gęstości syropu, tak aby jego stężenie miało już 70-75% cukru, 10-12% kwasów i pozostałość domieszek. Otrzymany syrop zobojętniamy dodając węglan wapnia. Powstałej mieszaninie dajemy wolno odparować tak aby powstał gotowy syrop bądź postać krystaliczna. W celu uzyskania 12 kg cukru potrzeba aż 1 tonę drewna ale jednocześnie otrzymujemy też wartościowe dodatki do pasz w ilości około 35kg.

Termoliza drewna polega na zwęglaniu go bez dostępu powietrza w bardzo wysokiej temperaturze powyżej 400^oC.

Kolejno zachodzą takie zjawiska:

1. Do 170^oC końcowe odparowanie wodorowe;
2. W temperaturze 170-270^oC pozwoli na wydzielanie tlenku węgla i dwutlenku węgla;
3. W temperaturze 270-300^oC uda nam się wydzielić kwasy organiczne, alkohole, smołę i węglowodany aromatyczne;
4. W przedziale temperatur 280-400^oC da ostatecznie otrzymanie aktywnego czystego węgla dzięki silnemu wydzielaniu się węglowodorów pod postaciami propanu, butanu i metanu. W końcowym efekcie dostajemy 35% węgla drzewnego, 6% kwasów, 17% smoły, 1,5 alkoholi.