SKURCZ I PĘCZNIENIE DREWNA (cz.1)

Najczęstszym problemem występującym w posadzkach drewnianych to efekt skurczu i spęcznienia drewna. Skurcz, jak i pęcznienie drewna, wywołuje serię zjawisk ogólnie zwana paczeniem, czyli zmianą wymiarów przy braku zachowania proporcji. Ogólnie można to nazwać krzywieniem się drewna na wskutek zmian jego wilgotności. Kiedyś, na jednym z forów internetowych, ktoś zapytał dlaczego deseczka wysychając wygina się, a później po namoczeniu nie wraca do kształtu i wymiaru wyjściowego. W sumie równie dobrze mógł zapytać o sens życia. Odpowiedź jest skomplikowana, ale postaram się w krótkich żołnierskich słowach wyjaśnić sens tego zjawiska bez zagłębiania się w szczegóły.

Wszyscy znamy rysunek przedstawiający przekrój pnia z zaznaczeniem zmiany kształtu elementów (rys.1). Zmiana kształtu uwarunkowana jest kierunkiem anatomicznym przekroju drewna. Wzdłuż włókien praktycznie skurcz i pęcznienie można pominąć. W kierunku promieniowym skurcz będzie miał wartości prawie dwa razy mniejsze niż skurcz w kierunku stycznym. Dlatego też deski styczne wyginają się krawędziami w kierunku przeciwnym do rdzenia pnia. No dobrze, wszyscy wiedzą, że wyginają się przy suszeniu, ale dlaczego nie wracają do poprzedniego stanu po ponownym nawilżeniu? Przyjrzyjmy się budowie mikroskopowej drewna. Drewno składa się z wielu składników. Głównie jest to celuloza (około 50%), lignina (około 30%) oraz pentozany i heksozany (około 20%), a także dodatki i substancje stałe. Są to dane orientacyjne z uwagi na zmienność poziomu zawartości poszczególnych składników w różnych gatunkach drewna. Dla przykładu – celulozy jest w drewnie gatunków iglastych 48-56%, a w drewnie gatunków liściastych 46-48% (Surmiński za Poźgaj i in. 2000). Celuloza w potocznym tego słowa znaczeniu jest materiałem złożonym z łańcuchów cząsteczek celulozy o długości średnio 10 000 cząsteczek (stopień polimeryzacji cząsteczek celulozy drewna wynosi od 6000 do 14 000 – Surmiński 2000) powiązanych w sznury. Łańcuchy celulozy grupują się w wiązki zwane micelami (rys.2). Micele to uporządkowany kawałek „powrozu” upleciony z łańcuchów celulozy o budowie zwartej zwanej także krystalitem. Micele przechodzą w luźne wiązki łańcuchów o budowie swobodnej, zwanymi obszarami amorficznymi. Ciekawostką jest fakt, iż pojedynczy łańcuch celulozy może przebiegać przez obszary krystalitów i obszary nieuporządkowane nawet w formie naprzemiennej. Micele łączą się w większe wiązki zwane fibrylami elementarnymi, mające wymiar przekroju około 3 x 7 nm. W fibrylach elementarnych spotkamy obszary uporządkowane w postaci miceli oraz obszary nieuporządkowane. Z fibryl elementarnych uplecione są mikrofibryle, czyli wiązki o średnicy aż 25nm i zawierające nawet 2000 cząsteczek celulozy. Około 200-250 mikrofibryli tworzy makrofibryl, który jest z kolei podstawowym składnikiem budowy ściany komórki drewna (Surmiński 2000). Dlaczego coś, co ma teoretycznie budowę sznura, tak różnie „pracuje” w zależności od kierunku anatomicznego? Fibryle nie mają budowy sznurowej, jakby się to komuś wydawało, a pasmową i to wpływa na anizotropię skurczu i pęcznienia drewna. Dobrze, wiemy, że drewno kurczy się i pęcznieje w różny sposób w zależności od przekroju, więc możemy zająć się istotą problemu zmiany kształtu. Co to jest pęcznienie drewna? Pęcznienie następuje przy nawilżaniu drewna wodą (lub całą masą innych cieczy, o których napiszę przy innej okazji). Cząsteczki wody wnikają w strukturę ścian komórkowych, migrują aż do fibryli elementarnych i tam wdzierają się pomiędzy micele niszczą w miarę krystaliczną strukturę fibryli. Cząsteczki wody rozpychają micele i następuje pęcznienie całości układu z jednoczesnym przesunięciem fibryli. Podczas pęcznienia występuje nie tylko zjawisko rozsunięcia obszarów krystalicznych, ale także ich przemieszczenie. Podczas schnięcia, cząsteczki wody migrują z przestrzeni miedzy micelarnych i następuje zbliżenie obszarów krystalicznych na odległość pozwalającą na ich połączenie, czyli potocznie mówiąc sznury fibryli elementarnych zbliżają się do siebie. Spoiwem fibryli elementarnych są tzw. mostki wodorowe. Mostki wodorowe powstają za sprawą sił dipolowych, czyli atom wodoru z grupy OH reszty glikozowej jednej makrocząsteczki celulozy łączy się z atomem tlenu reszty glikozowej sąsiadującej makrocząsteczki celulozy. Cała tajemnica tkwi w ponownym wiązaniu makrocząsteczek celulozy. Przy skurczu nie mogą trafić na „stare łącza” i wiążą się z zupełnie innymi, przesuniętymi w czasie pęcznienia makrocząsteczkami. Anizotropia skurczu i pęcznienia powoduje brak możliwości odnowienia wiązań wodorowych w miejscach ich pierwotnego położenia. Podczas pęcznienia drewna następuje zerwanie wielu wiązań, w tym wiązań pomiędzy fibrylami, co pozwala na przesuwanie się fibryli w błonie wtórnej komórek. Tak w skrócie można wyjaśnić zjawisko paczenia się drewna przy jednoczesnym braku powtarzalności kształtu i wymiaru. Powyższe rozważania są właściwe dla swobodnego skurczu i pęcznienia drewna. W przypadku posadzek drewnianych, częstą wadą jest tzw. łódkowanie, czyli wyginanie się klepek krawędziami do góry. Wygięcie to nie ma nic wspólnego z wyginaniem się desek podczas suszenia, gdyż powstało na wskutek innych sił. W łódko-waniu siłą sprawczą wygięcia jest różny stan wilgotności drewna w warstwie wierzchniej i warstwie spodniej. Różna wilgotność to zarazem różna szerokość klepki. Dół jest bardziej wilgotny, a co za tym idzie szerszy, co w konsekwencji wygina klepkę w charakterystyczną rynnę. Niby efekt końcowy jest wizualnie podobny, ale są to dwa rożne problemy, o czym należy pamiętać.

——————————————————————————————–

skurczipecznieniedrewna01
1. Źródło: Forest Products Laboratory Maddison, Wisc. USA.

2. Źródło: „Nauka o drewnie” F .Krzysik