Analýza ohýbaného dřevěného prvku: plastifikace a stabilizace tvaru

Bc. Kateřina Nováčková

Master's thesis

Analysis of bent wooden element: plasticization and shape stabilization

Abstract:

Tato diplomová práce se zabývá využitím mikrovlnné plastifikace a plastifikace pařením při výrobě ohýbaných nábytkových dílců a následnou stabilizací pomocí tepelné modifikace. Vzorky buku lesního (Fagus sylvatica L.) o rozměrech 30×30×1400 mm byly rozřazeny do 4 skupin (každá skupina obsahovala 10 vzorků). Polovina vzorků, byla následně plastifikovaná parou a druhá polovina mikrovlnným (MW) ohřevem. K plastifikaci parou sloužil parní autokláv s teplotou páry 100 °C a relativní vlhkostí vzduchu 100 %. Doba plastifikace v autoklávu byla 30 min. MW plastifikace byla prováděna při výkonu 1,5 kW za použití mikrovlnného kontinuálního laboratorního zařízení, doba plastifikace MW ohřevem byla 6 minut. Před samotnou plastifikací byly vzorky máčeny po dobu cca 7 dní. Vstupní vlhkost vzorků byla 55 % a výstupní vlhkost byla u MW plastifikace v průměru o 7,8 % menší a u pařených vzorků o 4,1 % menší než vstupní vlhkost. Vstupní teplota vzorků byla 20 °C a po plastifikaci byla povrchová teplota MW plastifikovaných vzorků 77 °C a u pařených vzorků 62 °C. Vnitřní teplota po plastifikaci byla u MW plastifikovaných vzorků 110 °C a u pařených 85 °C.Následně byla polovina vzorků tepelně modifikována v tepelné komoře při 200 °C. Po tepelné modifikaci byla část vzorků vystavena klimatickým podmínkám 20 °C a 99 % vlhkosti, při nichž docházelo ke změně vlhkosti a k rozevření ohybů. Po 8 dnech v klimatizační komoře byl přírůstek vlhkosti u MW plastifikovaných vzorků referenčních 11,2 %, u pařených referenčních 11,5 % u MW plastifikovaných modifikovaných byl nárůst vlhkosti o 5,8 % a u pařených modifikovaných to bylo 6,2 %. Rozevření vzorků MW plastifikovaných referenčních bylo 143 mm, u vzorků pařených referenčních 154 mm. U modifikovaných vzorků bylo rozevření 39 mm. Pro porovnání rozměrové stability byly ohyby rozřezány na menší vzorky, které byly máčeny ve vodě po dobu 120 hodin. Po této době byla změna délky u referenčních vzorků 3–4 % a u vzorků modifikovaných 1 %. V radiálním směru vzorky nabobtnaly v případě referenčních vzorků o 7 – 8,5 % a u modifikovaných byl nárůst o 5 %. Změna rozměrů při bobtnání v tangenciálním směru byla u referenčních vzorků 10 % a u modifikovaných 8 %. Vlhkost po této době byla u referenčních vzorků 61–66 % a u vzorků modifikovaných 48–50 %. Výsledky práce dokazují, že rozdíl mezi plastifikací MW ohřevem a parou je pouze v čase plastifikace. Dále je zde dokázáno, že tepelně modifikované dílce jsou vhodné pro umístění do míst s vyšší vlhkostí, jelikož mají lepší tvarovou i rozměrovou stabilitu a nedochází k takovému přírůstu vlhkosti jako u vzorků referenčních – neupravených.

Abstract:

This thesis deals with the use of microwave and steam plasticization in the production of bent furniture elements and the subsequent shape stabilization achieved by thermal modification. Samples of beech (Fagus sylvatica L.), of dimensions 30×30×1400 mm, were divided into 4 groups (each group contained 10 samples). Half of the samples were then plasticized with steam and the other half by microwave (MW) heating. Steam autoclave with a steam temperature of 100 °C and a relative humidity of 100% were used for the steam plasticization. The time of plasticization in the autoclave was 30 min. MW plasticization was carried out at a power output of 1.5 kW using a microwave continuous laboratory device; the time of plasticization by MW heating was 6 minutes. Before the plasticization itself, the samples were water soaked for about 7 days. The input moisture content of the samples was 55% and the output moisture content was on average 7.8% and 4.1% lower than the input after MW plasticization and steam plasticization, respectively. The input temperature of the samples was 20 °C; after plasticization, the surface temperature was 77 °C in the case of MW plasticized samples and 62 °C in the case of steamed samples. The internal temperature after plasticization was 110 °C and 85 °C for MW plasticized and steamed samples, respectively.Subsequently, half of the samples were thermally modified in the heat-treatment chamber at 200 °C. After thermal modification, part of the samples was exposed to climatic conditions of 20 °C and 99% humidity, during which the moisture content changed, and bends got opened. After 8 days in the conditioning chamber, the moisture content increase was 11.2% in MW plasticized reference samples; 11.5% in steamed reference samples; 5.8% in MW plasticized modified samples; and 6.2% in steamed modified samples. The bend opening of MW plasticized and steam reference samples reached 143 mm and 154 mm, respectively. In the case of modified samples, the opening reached 39 mm. In order to compare dimensional stability, the bends were cut into smaller samples and these were soaked in water for 120 hours. After that, the length of reference samples was changed by 3–4% while the length of modified samples changed by 1%. In the radial direction, the swelling was 7 to 8.5% for reference samples and 5% for modified samples. The dimensional change during swelling in the tangential direction was 10% and 8% in reference and modified samples, respectively. During that time, the moisture content of reference samples changed by 61–66% and the moisture content of modified samples changed by 48–50 %. The results show that the difference between plasticization by MW heating and by steam is only within the time of plasticization. Furthermore, the thesis demonstrates that thermally modified parts are suitable to be placed in places with higher humidity, as they have a better shape and dimensional stability and their moisture content does not increase as in the case of reference, i.e. unmodified, samples.

Keywords

plastifikace dřeva, paření dřeva, ohýbání, buk lesní (Fagus sylvatica L.), tepelná modifikace, výroba nábytku, mikrovlnná plastifikace, stabilizace

Keywords

wood plasticization, furniture production, thermal modification, microwave plasticization, wood steaming, bending, beech (Fagus sylvatica L.), stabilization

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 4. 2020

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Jakub Dömény, Ph.D.

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Master programme / field:
Furniture Engineering / Furniture Engineering