Střední odborné učiliště stavební, odborné učiliště a učiliště Sabinovo náměstí 16 360 09 Karlovy Vary Bohuslav V i n t e r odborný učitel uvádí pro T1 tuto výukovou prezentaci : Hydrotermická úprava dřeva

Hydrotermická úprava dřeva Pojmem hydrotermická úprava se rozumí účinek vlhka a tepla na dřevo za účelem změny jeho fyzikálně mechanických, technologických a užitných vlastností. Hlavní důvody plastifikace jsou : Zpracovatelské, především plastifikace dřeva, například dočasné změkčení dřeva před zpracováním. Vlivem plastifikace se snižuje řezný odpor a zvyšuje se schopnost tvarování dřeva; Estetické, tj. zbarvení dřeva na tmavší odstín,barevná egalizace (dosažení rovnoměrného zbarvení) a zvýraznění kresby dřeva. Dosahuje se tak lepšího vzhledu, zejména bukového dřeva.

Plastifikace dřeva Cílem plastifikace je dosažení dočasných nebo trvalých změn fyzikálně mechanických vlastností potřebných pro další zpracování. Jsou to hlavně změny pevnosti, vyrovnání růstových napětí a sterilizace dřeva (zničení škůdců a jejich zárodků ve dřevě). Podle plastifikačního prostředí, které na dřevo působí, rozlišujeme plastifikaci : Hydrotermickou úpravou působením vodní páry nebo horké vody, Chemickou plastifikaci působením chemických látek, především plynného nebo kapalného amoniaku (čpavku) nebo amoniakální (čpavkové) vody, Plastifikaci energií s vysokým kmitočtem pomocí vysokofrekvenčního proudu nebo ultrazvuku.

Charakteristika plastifikačního prostředí A) Vodní pára : vytváří se ohřevem vody. Pod bodem varu se voda vypařuje z povrchu kapaliny, po dosažení bodu varu se tvoří v celém objemu kapaliny. Nejdříve vzniká mokrá pára, která ještě obsahuje drobné kapénky vody a po úplném vypaření kapalné vody vzniká nasycená pára, která již neobsahuje žádnou kapalnou vodu. Stav páry je určen její teplotou, tlakem a tepelným obsahem. Teplota vodní páry používané pro hydrotermickou úpravu dřeva se pohybuje obvykle kolem 90°C a tlak mírně nad barometrickým tlakem.

Charakteristika plastifikačního prostředí B) Voda : Ohřev dřeva ve vodě je plynulejší a pomalejší než ohřev parou, protože voda má větší hustotu než pára a tím také větší tepelnou setrvačnost při změnách teploty. Teploty vody při hydrotermické úpravě se pohybují od 20 do 90°C. Plastifikace vodou se využívá pro cennější druhy dřev nebo při skladování kulatiny ve vodě (bazénování nebo plavení kulatiny).

Charakteristika plastifikačního prostředí C) Amoniak, amoniakální voda : Amoniak vytváří prostředí, v němž se změkčují všechny složky dřeva a dřevo se přitom intenzivně zbarvuje (tmavne) . Tento způsob plastifikace se používá například před zhušťováním dřeva lisováním. Zhušťuje se dřevo tvrdých listnatých dřevin hlavně buk, habr), které se potom používá jako náhrada některých exotických velmi tvrdých dřev nebo náhrada kovů například zhuštěné dřevo Bukolis, Lignamon, Lignaston atd.) Amoniakální voda je roztok amoniaku, obvykle v koncentraci 25 %. Není tak agresivní, avšak zvyšuje vlhkost dřeva.

Charakteristika plastifikačního prostředí D) Vysokofrekvenční a ultrazvukový ohřev : Vysokofrekvenční ohřev je dielektrický ohřev, při němž se vysokou frekvencí změn elektrického pole rozkmitají molekuly vody, které se silně zahřívají, změkčují dřevo a vypařují se.Plastifikace tímto způsobem je však příliš nákladná a vysokofrekvenční ohřev se proto používá hlavně při vysoušení lepených vrstevných konstrukcí. Ultrazvukový ohřev je založen na podobném principu, zdrojem energie je však zvuk s vysokým kmitočtem. V praxi se zatím nepoužívá.

Vliv plastifikace na dřevo Účinkem vlhka a tepla vznikají ve dřevě dočasné a trvalé změny fyzikálně mechanické a chemické, které se využívají při dalším zpracování. Dočasné změny jsou fyzikální. V průběhu ohřevu se výrazně změkčuje lignin a pektiny ve střední lamele (vrstvě mezi stěnami sousedních buněk). V důsledku tepelné roztažnosti se rozšiřuje krystalická mřížka celulózy v buněčné stěně a rovněž v důsledku zvýšené teploty se zvyšuje kmitání atomů v molekulách celulózy. Tlaková pevnost se dočasně sníží až o 40 % a plastičnost se sníží až o 30 %. Tyto změny jsou však vratné a po ukončení hydrotermického působení plastifikačního prostředí dřevo nabývá původní vlastnosti.

Vliv plastifikace na dřevo Trvalé změny jsou chemické a mechanické. Chemické změny nastávají v důsledku hydrolýzy (chemického rozkladu složitých látek na jednoduché působením vody) části ligninu a polysacharidů. Přitom vznikají organické kyseliny, zejména octová a mravenčí, které podporují změkčující účinky plastifikačního prostředí na dřevo. Chemickými změnami tříslovin a barviv ve dřevě dochází k trvalé změně barevného odstínu. Pokud je doba plastifikace příliš dlouhá, vlivem změkčení ligninu prochází pára přes ligninovou vrstvu do buněčné stěny, jejím účinkem nabobtnají pektiny a hemicelulózy v buněční stěně a tím se sníží mechanické vlastnosti.

Vliv plastifikace na dřevo Lignin sice po ochlazení a vysušení opět ztuhne, avšak hemicelulózy a pektiny zůstanou částečně nabobtnalé, což omezí obnovení původní pevnosti.Příliš dlouho pařené dřevo potom sesychá a bobtná o 2 – 5% více než nepařené (při době paření nad 48 hodin). Trvale se sníží pevnost v tlaku, a to asi 5% (při příliš dlouhé plastifikaci až o 35 %). Hustota dřeva (objemová hmotnost) se sníží asi o 0,3%, tvrdost asi o 5%, pevnost v ohybu asi o 9%. Pařením dřeva se odstraňují vnitřní růstová napětí vyvolaná například přítomností reakčního dřeva. Tím se omezí borcení a deformace vyrobených dýh. Vysokými teplotami při paření se dřevo sterilizuje – zničí se v něm rostlinní i živočišní škůdci, případně jejich zárodky.

Plastifikace dýhárenské kulatiny Kvalitní rovnoměrné loupání a krájení kulatiny na dýhy při co nejmenším řezném odporu a spotřebě energie je podmíněno změkčením dýhárenské kulatiny. Plastifikace pomocí vlhka a tepla ovlivňuje také výslednou jakost dýh. Plastifikace kulatiny umožňuje : Zvýšení pevnosti dýh v tahu napříč vláken, tzn. zvýšení soudržnosti a pružnosti dýh, Odstranění průsvitnosti dýh, Dosažení co nejvyšší hladkosti povrchu dýh, Dosažení rovnoměrného zbarvení dýh, Dosažení rovnoměrné tloušťky dýh.

Plastifikace dýhárenské kulatiny Plastifikace dýhárenské kulatiny se provádí několika způsoby : Studenou vodou, Rozmrazováním kulatiny teplým vzduchem, Ohřevem ve vodě Pařením.

Plastifikace studenou vodou Měkké listnaté dřeviny topol, olše, osika, vrba) nevyžadují zahřívání. Pro změkčení dřeva před zpracováním na dýhy stačí u těchto dřevin uložení v bazénech s vodou o teplotě 20°C. V zimě je však nutno vodu zahřívat přívodem páry do bazénu. Kromě plastifikace se kulatina současně zbaví písku a jiných nečistot a také části kůry. Nevýhodou je nutnost asi jednou týdně bazén vypustit a čistit. Studenou vodou se plastifikuje i kulatina dopravovaná po vodních tocích tzv. plavením a uskladněná ve vodě dýhárenský závod je vybudován na břehu, kulatiny se po dopravě ponechá ve vodě). Současně se tak provádí mokrá ochrana kulatiny před škůdci dřeva. Tento způsob se využívá v zemích s hustou sítí vodních toků a zejména v severských zemích.

Rozmrazování kulatiny teplým vzduchem Kulatina ze zimní těžby při ponechání po určitou dobu ve venkovních podmínkách působením velmi nízkých teplot pod bodem mrazu zmrzne. U zmrzlé kulatiny se používá k jejímu rozmrazování a současně i částečné plastifikaci teplý vzduch. Lze využít zahřátý vzduch od sušáren nebo od lisů. Rozmrazování a plastifikace se provádí v komorách asi 24 hodin při teplotě 40 – 70 °C.

Plastifikace ohřevem ve vodě Tento způsob plastifikace se v současné době stále více uplatňuje u nás i v zahraničí z důvodu dosažení vyšší jakosti dýh než po plastifikaci pařením. Účinky plastifikace vodním ohřevem i pařením jsou v podstatě stejné. Ohřev ve vodě je však výhodnější u dražších druhů dřev domácích i cizokrajných. Je vhodný zejména pro tvrdé dřeviny s velkým podílem jádra, které má obvykle nižší vlhkost než bělová část, proto je nutná k dostatečnému prohřátí delší doba plastifikace (víme, že dlouhé paření má na dřevo negativní vliv). Rovněž tak je ohřev ve vodě vhodný pro kulatinu částečně proschlou v důsledku dlouhé dopravy (tropická dřeva).

Plastifikace ohřevem ve vodě Ohřev ve vodě se provádí v bazénech uzavřených víky. Před plastifikací se kulatina odkorňuje, obvykle se příčně dělí na výřezy určených délek a ty se ještě dělí podélně (podle požadované kresby dýh). Na dně bazénu je rošt, na který se ukládají dýhárenské výřezy. Ukládají se obvykle jeřábem. Po uložení kulatiny se trubkami do bazénu napouští voda, která se po uzavření bazénu zahřívá buď přímým vháněním páry, anebo topnými trubkami uloženými ve vodě, které jsou vyhřívány parou.

Plastifikace ohřevem ve vodě Kulatina se pomalu zahřívá. Doba ohřevu závisí na počáteční teplotě vody. Doba plastifikace se počítá od dosažení plastifikační teploty 80 – 90°C. Tato teplota se udržuje po celou dobu plastifikace, která závisí na hustotě dřeva a velikosti průměru kulatiny. Po uplynutí stanovené doby se voda z bazénu vypustí, bazén se nechá otevřený a kulatina se určitou dobu ochlazuje.Ochladí se povrchové vrstvy, ve vnitřních zůstává vysoká teplota.

Plastifikace pařením Paření se využívá především v průmyslové výrobě konstrukčních (technických) dýh určených na překližky. Kulatina se odkorňuje a plastifikuje se v celých délkách nebo krácená na výřezy, avšak bez podélného dělení. Výhodnější je pařit kulatinu v celých délkách a příčné dělení na výřezy provádět až po plastifikaci, protože při paření obvykle dochází k čelním trhlinám a ztráty takto vzniklé jsou pak menší (méně popraskaných čel na dlouhé kulatině než na jiných částech).

Plastifikace pařením Paření se provádí v pařících jamách – bazénech dlouhých 4 – 12 m, širokých 2 – 3 m a hlubokých 2 – 4 m. Pařící jámy jsou zapuštěny do země, avšak nad terén musí z bezpečnostních důvodů vyčnívat aspoň 80 cm. Jsou obvykle železobetonové a mají vnitřní stěny obložené kamennými kvádry vyspárovanými kyselinovzdorným tmelem. Musí být řádně izolovány proti úniku kondenzátu nebo horké vody.

Plastifikace pařením Shora se přikrývají víky, která se zvedají a spouštějí jeřábem. Víko má izolační funkci. Je zhotoveno z rámu oplášťovaného plechem s protikorozní úpravou. Vnitřní výplň rámu je ze skelné nebo čedičové vaty. Má na obvodu připevněný profil, který zapadá do žlábku s vodou na stěnách bazénu. Žlábek s vodou tvoří vodní těsnění proti unikání páry z bazénu. Na dně bazénu je rošt, na který se ukládá kulatina.

Plastifikace pařením Rozlišujeme paření přímé a nepřímé. Přímé paření je rychlejší. Pod roštem s kulatinou jsou umístěny děrované trubky, kterými se do bazénu přímo vhání pára o malém tlaku kolem 0,05 – 0,15 MPa). Otvory v trubkách, tj. výfuky páry, nesmí být nasměrovány na kulatinu (docházelo by ke vzniku četných trhlin). Před výfuky jsou umístěny odrazové plechy, na které proud páry naráží a rozptyluje se do bazénu Dno jámy má mírný sklon do jednoho rohu, odkud se odvádí kondenzát do boční sběrné a regulační šachty. Ze šachty se odčerpává a vrací přes filtr zpět do oběhu. V šachtě jsou rozmístěny rozvody páry.

Plastifikace pařením Pařící jáma pro přímé paření : 1. Víko, 2. Vodní těsnění, 3. Kamenné obložení, 4. Rošt s kulatinou, 5. Odrazové plechy, 6. Trubky s výfuky páry, 7. Odtok kondenzátu, 8. Kondenzát 9. Čerpadlo 10. Odvod kondenzátu, 11. Přívod páry

Plastifikační jáma s nepřímým pařením 2 - regulační šachta, 3 - výřezy, 4 – zemina, 5 – betonový nebo cihlový keson, 6 – izolační vrstva, 7 – zdivo jámy, 8 – podklady, 9 – výhřevný had, 10 – poklop z nerezu, 11 – max.výška odpařované vody, 12 – výpust vody, 13 – odpadové potrubí, 14 – přívod ohřívacího média, 15 – odvod ohřívacího média, 16 – regulátor teploty,

Detail izolačního poklopu z materiálu nerez 1 – rýhovaný plech, 2 – izolační výplň, 3 – betonový věnec, 4 – obklad pařící jámy, N – nerezový plech

Plastifikační režim Plastifikační režim znamená působení plastifikačního prostředí (páry, vody) na dřevo v závislosti na druhu dřeva, času a prostředí. Stanovuje se podle hustoty (objemové hmotnosti) dřeviny a podle průměru kulatiny. V závislosti na těchto veličinách se stanoví potřebné teploty a doby plastifikace tak, aby se dosáhlo optimálního změkčení dřeva před loupáním nebo krájením na dýhy. Optimální stupeň plastifikace je takový, při němž nastane maximální vyrovnání tlakové pevnosti v radiálním a tangenciálním směru. Tohoto stavu se dosáhne u tvrdých listnatých dřevin při teplotách kolem 90°C, u měkkých listnatých dřevin kolem 45°C a u jehličnatých dřevin kolem 70°c.

Plastifikační režim Teplota závisí na hustotě dřeva. Čím je vyšší hustota, tím vyšší má být plastifikační teplota Výjimkou jsou tvrdé dřeviny náchylné k popraskání, především buk, který se paří při nižších teplotách, do 80°C. Výřezy se krájí nebo loupou při teplotě, která souvisí s jejich hustotou a bere ohled na tloušťku loupané nebo krájené dýhy.

Plastifikační režim Plastifikační režim má tři fáze : 1. Ohřev určený především k prohřátí plastifikačního prostředí na teplotu určenou pro plastifikaci kulatiny. Zároveň se prohřívá dřevo. Doba ohřevu závisí na požadované plastifikační teplotě a průměru kulatiny; 2. Vlastní hydrotermická úprava je vlastně prodloužený ohřev při určené teplotě dosažené ve fázi ohřevu. Její doba je závislá rovněž na plastifikační teplotě a průměru kulatiny;

Plastifikační režim 3. Egalizace je další účinek páry nebo vody při uzavřeném přívodu topení, aby se vyrovnaly teplotní rozdíly uvnitř dřeva a aby se dosáhla optimální teplota pro loupání a krájení. Přitom se postupně snižuje teplota prostředí, vyrovnává se teplota v průřezu kulatiny a povrchová teplota kulatiny se postupně snižuje až na optimální teplotu pro krájení a loupání. Teplotní egalizaci umožňuje kamenné obložení vnitřních stěn bazénu a utěsnění víka (pokles teploty v takovém bazénu je velmi pomalý, takže část tepla může být využita pro plastifikaci bez dalšího přívodu topného média a ušetří se tím tepelná energie). Bazén zůstává při egalizaci uzavřený víkem, ke konci se víko otevře a kulatina se na povrchu ochlazuje na optimální teplotu.

Plastifikační režim Celková doba plastifikace je stanovena pro jednotlivé druhy dřevin (podle hustoty dřeva) v závislosti na teplotě. Základní doba se prodlužuje nebo zkracuje vlivem počáteční teploty dřeva (podle letního nebo zimního období), vlivem rychlosti ohřevu a průměru výřezů. V zimním období při teplotách pod bodem mrazu se musí prodloužit doba ohřevu o 10 – 15 % z celkové doby hydrotermické úpravy. Rychlost ohřevu na teplotu prostředí závisí na příkonu tepla a také na stavu pařící jámy (izolace, únik tepla). Se zvětšujícím se průměrem kulatiny se prodlužuje doba hydrotermické úpravy. Při průměrech nad 40 cm se prodlužuje doba hydrotermické úpravy asi o 1 hodinu na každý centimetr průměru nad tuto hodnotu.

Paření řeziva Hlavním důvodem paření řeziva je barevné zušlechtění. Pařením získává barva dřeva tmavší odstín a zvýrazní se jeho kresba. Vedlejším účinkem je sterilizace řeziva. Paří se zejména bukové řezivo a přířezy, ale také třešňové, hrušňové a habrové dřevo. Paření se provádí v pařících komorách nebo pařících zvonech.

Pařící komory Pařící komory představují starší typ plastifikačního zařízení a využívají se kromě paření řeziva také k plastifikaci dýhárenských výřezů. Jsou to nadzemní zděné stavby z dutých cihel, tepelně izolované minerální vatou. Vnitřní omítka je cementová s kyselinovzdorným nátěrem.Komory jsou neprůjezdné nebo průjezdné. Řezivo je uloženo na vozících v hráních. Rozvod páry je umístěn pod podlahou. Podlaha komory má mírný spád pro odvod kondenzátu. Stropy jsou klenuté, aby po nich lépe stékala zkondenzovaná voda.

Pařící zvony Pařící zvony jsou určeny k paření řeziva nebo přířezů Jsou zhotoveny z nerezavějícího plechu, obvykle hliníkového nebo ze skelného laminátu. Laminátové zvony jsou lehčí, lépe odolávají agresivním kyselým výparům vznikajícím při paření a jsou trvanlivější. Zvony mají mírně vypouklou střechu s oky pro zvedání zvonu jeřábem a dvojité stěny s vnitřní izolační výplní z minerální vaty. Plocha pod zvonem – podlaha je vybetonovaná. Spodní hrana zvonu zapadá do žlábku s vodou na betonové podlaze a tím je vytvořeno vodní těsnění. Paření je přímé, pára se přivádí děrovanými trubkami vedenými pod úrovní podlahy. Podlaha má mírný sklon do středu, kudy se odvádí kondenzát. Hráň materiálu na paletě se ukládá na podlahu jeřábem nebo vysokozdvižným vozíkem.

Pařící zvon pro paření řeziva 1 – pařící prostor, 2 – pařený materiál 3 – materiál nerez, 4 – izolační vrstva, 5 – dvojkovovoý teploměr, 6 – uzávěr vody, 7 – děrované trubky, 8 – odvod kondenzátu, 9 – paleta, 10 – přívodní parní potrubí, 11 – betonový základ

Pařící zvony Pařící zvon 1. Pařící prostor, 2. Pařený materiál, 3. Vodní těsnění, 4. Děrované trubky pro přívod páry, 5. Odpadní trubka pro odvod kondenzátu

Kontrolní otázky 1. Uveďte důvody a způsoby hydrotermické úpravy dřeva. 2. Jaké změny vznikají ve dřevě působením hydrotermické úpravy ? 3. Vysvětlete princip přímého a nepřímého paření a popište pařící jámu. 4. Jaké jsou důvody a způsoby paření řeziva ?