One-Sided Surface Charring of Wood

Ing. Vít Šeda

Disertační práce

Povrchová modifikace dřeva opalováním

Anotace:

V rámci předkládané disertační práce byly zkoumány možnosti úpravy materiálových vlastností méně využívaných dřevin jako je buk lesní (Fagus sylvatica L.) nebo bříza bělokorá (Betula Pendula Roth.), a to pomocí jednostranné povrchové modifikace dřeva - kontaktním opalováním povrchu. Cílem práce bylo komplexní pochopení procesu povrchové karbonizace, zejména pak vlivu teploty a času působení na stupeň povrchové modifikace a změnu vybraných materiálových vlastností. V práci byla provedena experimentální analýza posuzující vliv jednostranného opalování povrchu dřeva na vlhkostní chování, tj. úhel smáčivosti povrchu, navlhavost a nasákavost a povrchové vlastnosti dřeva, tj. drsnost povrchu, otěruvzdornost, elementární analýza, nano a mikrostruktura. Dále byla provedena analýza vlivu modifikace dřeva na biologickou odolnost, tj. působení dřevokazných hub, vlivu umělého stárnutí na kvalitu povrchu a odolnost opalovaného povrchů vůči působení plamene. Na základě výsledků bylo zjištěno, že s rostoucí teplotou a časem procesu povrchového opalování roste tloušťka modifikované vrstvy, přičemž za významný faktor lze považovat směr odklonu vláken ke směrů působící teploty. Tento faktor byl také výrazně prokázán u výsledků úhlu smáčivosti povrchu. Se zvyšující se teplotou dochází ke snižování úhlu smáčivosti v důsledku termické degradace povrchu, ale statisticky významnější rozdíl byl prokázán u radiálních vzorků (73 %). Podobný trend byl sledován i při experimentálním stanovení nasákavosti povrchu, kde příjem vody během máčení byl výrazně vyšší u tangenciálních vzorků ve srovnání s radiálními, kde naopak došlo k poklesu (~56 %). Výrazný rozdíl mezi vzorky vznikl primárně v důsledku rozdílné orientace anatomických elementů, a tím schopnosti absorbovat vodu v kapalné formě. Při sledování sorpčního chování jednotlivých vrstev, byl prokázán významný vliv teploty na změnu hygroskopicity modifikovaného dřeva. Vliv této úprava klesá se zvyšující se vzdáleností od modifikovaného povrchu (~46 %). Stanovení odolnosti opalovaného dřeva vůči působení dřevokazných hub a odolnosti vůči umělému stárnutí neprokazují statisticky významné změny. Přestože lze konstatovat, že povrchově modifikovaná vrstva má pozitivní vliv na částečné zpomalení kolonizace mikroorganismů a následný rozklad neošetřeného dřeva, nedokáže jej zcela ochránit. Vlivem umělého stárnutí dochází ke zvýšení světlosti povrchů téměř u všech sledovaných skupin a všechny testované vzorky prošly výraznou celkovou barevnou změnou (ΔE). Během procesu umělého stárnutí dochází k tvorbě trhlin na povrchu vzorků, narušení struktury opalovaného povrchu, a tím ke snížení pozitivního efektu modifikace dřeva. Experimentální analýza dále prokázala schopnost modifikovaného dřeva výrazněji odolávat působení plamene, tj. prodloužit odolnost dřeva vůči prohoření materiálu, a to primárně u radiálních vzorků (až 60 %). Jednostranná povrchová modifikace dřeva pomocí kontaktního opalování prokázala pozitivní vliv na vybrané materiálové vlastnosti dřeva, nicméně stále vykazuje řadu faktorů, které jsou pro takto modifikované dřevo značně limitující. Za základní faktor omezující širší využití v exteriérových podmínkách lze považovat rozměrové změny, které často vedou k narušení povrchové vrstvy, a tím jejímu znehodnocení. Výstupy vycházející z této disertační práce také významně přispěly k vývoji unikátního kontinuálního zařízení pro jednostranné povrchové opalování dřeva. Toto zařízení je prezentováno užitným vzorem, kterého bylo dosaženo ve spolupráci s průmyslovými partnery. Vývojem tohoto zařízení byly pol

Anotace:

oženy základy pro budoucí studium v této inovativní oblasti technologie.

Abstract:

The possibility of increasing the potential of wood species such as beech (Fagus sylvatica L.) and birch (Betula pendula Roth.), which are currently rarely used in construction, was investigated by modifying their deficient properties using the contact method of one-sided surface charring. The intention was to transform wood from these species into a sustainable material with improved performance with minimal impact on the environment. The first aim was to achieve a comprehensive understanding of this treatment method, especially the influence of temperature and time on the depth of the charred layer. To this end, the effect of surface charring on the moisture behaviour of the treated specimens (contact angle, water absorption, sorption behaviour) was assessed. The properties of the surface layer (surface roughness, abrasion resistance, elemental analysis, nano and microstructure) were investigated, and lastly, the effect of surface charring on biological resistance and resistance to the effects of the external environment was investigated. A secondary aim was to determine the effect of surface charring on fire resistance. Based on the research, it was found that with increasing temperature and time, the depth of the treated layers increased. The influence of the orientation of the annual rings became a significant factor when testing for contact angle and water absorption. It was found that the higher the temperature, the lower the contact angle, but positive results were achieved mainly with radial specimens (73 %). The same trend was noted for water absorption (~56 %). This can be attributed to the anisotropic character and higher dimensional instability of the tangential specimens. A positive effect of surface charring was noted for sorption behaviour, especially in the surface layers (~46 %). Significantly less success was achieved in biological resistance and resistance to the external environment. While the charred layer did partially inhibit colonisation by microorganisms and the decomposition of untreated wood, it did not protect it completely. As a result of artificial weathering, the colour of almost all groups became lighter, and all exposed samples underwent a significant colour change ΔE. Due to the damage caused by artificial weathering, the beneficial effect of the surface charring process on water absorption was eliminated. Signs of the higher order of carbon structures with dominant amorphous properties were observed. It was found that the char layer significantly inhibited burning in radial specimens (up to 60 %). For tangential specimens, however, the results were not conclusive, due to cracks facilitating the passage of flammable gases. Although surface charring had a positive effect on some properties, the exterior use of wooden elements treated in this way is still outside the limits of this technology. The fundamental problem is the dimensional changes of the unmodified parts of the wooden elements, which ultimately cause the destruction of the surface protective layers. The elimination of dimensional changes should be the subject of further investigation. The outputs of this thesis also significantly contributed to the development of a unique continuous device for one-sided surface charring of wood, presented by utility model, achieved through collaboration with industry partners, thereby laying the groundwork for future studies in this innovative area of technology.

Klíčová slova

povrchová modifikace, povrchové opalování, kontaktní ohřev

Keywords

surface charring, contact charring, surface modification

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 18. 10. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. Ing. Petr Čermák, Ph.D.
• Oponent: Németh Róbert, externi, Geoffrey Daniel, externi, Aleš Staže, externi

Mendelova univerzita v Brně

Lesnická a dřevařská fakulta

Doktorský studijní program:
Materiálové inženýrství dřeva