Materiali naturali, legno

LEZIONE 1

Anisotropia e variabilità del legno

• Origine biologica e unicità: il legno deriva da un organismo vivente; ogni pezzo può essere

un unicum per storia della pianta e condizioni ambientali, ma esistono anche

caratteristiche generali che permettono di normarlo e utilizzarlo come materiale.

• Equilibrio previsione/variabilità: pur esistendo leggi generali utili per progettare e

scegliere, può capitare che un campione ipotizzato “molto mobile” non mostri i movimenti

attesi: ciò sottolinea l’importanza di lavorare su indicazioni statistiche e non su certezze

assolute.

• Anisotropia: il legno è anisotropo — le proprietà fisiche e meccaniche variano con la

direzione di misura (longitudinale, radiale, tangenziale). Identificare la sezione del campione

è il primo passo per prevederne il comportamento.

Sezioni del legno e anelli di accrescimento

• Anelli di accrescimento: alternanza di legno primaverile (earlywood) — cellule più

grandi, pareti sottili, chiaro — e legno tardivo (latewood) — cellule più piccole, pareti

spesse, scuro. Questa alternanza permette di individuare gli anelli di accrescimento.

• Interpretazione degli anelli: l’alternanza chiaro/scuro è dovuta alla diversa conformazione

tra legno primaverile e tardivo; l'associazione “un anello = un anno” è spesso valida ma non

universale.

Tipologie di sezione (e come si riconoscono)

Sezione Come appare Note pratiche

utile per contare anelli e valutare posizione rispetto

Trasversale Anelli concentrici al midollo

Longitudinale - Rigature parallele più stabile dimensionale, minor deformazione

radiale (disegno rigato)

Longitudinale - Disegno a “fiammatura” molto comune in produzione; più soggetta a

tangenziale o parabola deformazioni (cupping, warp)

• Riconoscimento: in sezione trasversale gli anelli formano archi concentrici; in

longitudinale-radiale si vedono righe parallele; in longitudinale-tangenziale si osserva il

caratteristico disegno fiammato/arcato.

• Influenza della posizione nel tronco: più la tavola è vicina al midollo, più prevale il

disegno rigato; verso la corteccia aumenta la fiammatura. Esistono vie di mezzo (tavole

miste) con porzioni radiali e tangenziali.

Tipi di taglio e conseguenze meccaniche

• Taglio tangenziale (flat/plane sawn): è il più comune perché sfrutta al massimo la

larghezza del tronco; produce tavole con disegno fiammato ma maggiori deformazioni

dimensionali.

• Taglio radiale / quarto di taglio (quarter-sawn): tavole più strette e stabili, utilizzate per

assortimenti pregiati e quando si richiede minor movimento; sfrutta il raggio del tronco.

• Effetti pratici: tavole tangenziali tendono inevitabilmente a deformarsi più facilmente;

tavole radiali presentano ritiro/rigonfiamento più regolare e minori distorsioni.

Struttura cellulare e porosità

• Produzione del legno (xilema): il legno si forma dall’esterno verso l’interno grazie al

cambio che ogni anno produce una fila di cellule verso il centro.

• Conifere vs latifoglie: esistono due gruppi di legno con cellule differenti (conifere:

aghifoglie; latifoglie: foglie larghe) — ciò comporta differenze di comportamento e di uso.

• Cellule vive e morte: la maggior parte delle cellule che costituiscono la struttura portante è

morta (lumen vuoto, rimane la parete cellulare); solo alcune cellule parenchimatiche

restano vive e fungono da riserva.

• Porosità: il legno è un materiale poroso: i pori corrispondono ai lumi delle cellule.

Componenti chimici principali e loro ruolo

Componente Funzione / descrizione

Polimero di glucosio; forma microfibrille che

Cellulosa (~50%) conferiscono resistenza meccanica.

L’orientazione delle microfibrille spiega la

grande resistenza in direzione assiale e la facilità

Polimero aromatico, scuro, rinforza lo

Lignina (~20–29% indicativo) “scheletro” cellulare; si incunea tra microfibrille.

Sensibile alla fotossidazione (UV) → degrado

Polimeri di zuccheri diversi dal glucosio (es.

Emicellulose xilano, mannosio); fungono da “cartilagine” di

raccordo fra cellulosa e lignina; sono i primi

• Cellulosa: è un polimero di glucosio; le molecole si organizzano in microfibrille (analogia:

corde e cordoli). Per rompere la catena di cellulosa occorre molta energia; separare le

microfibrille l’una dall’altra è invece più semplice (legate da legami più deboli come legami

a idrogeno).

• Microfibrille e comportamento meccanico: se si applica sforzo lungo la direzione delle

microfibrille la resistenza è elevata; se si tenta di separare le fibrille lateralmente la rottura è

più facile — spiega perché la legna da ardere si spacca facilmente lungo la fibra.

• Lignina: rinforza ma ha struttura meno ordinata rispetto alla cellulosa; la sua composizione

e modalità di polimerizzazione influenzano molto le proprietà finali.

• Emicellulose: ruolo di interfaccia e di mobilità interna; prime ad essere degradate in caso di

attacco biologico. ☀

Degradazione biologica e fattori ambientali

• Ordine di attacco biologico: in generale le emicellulose sono i primi target dei funghi

degradativi, poi la cellulosa e la lignina è l’elemento più resistente da degradare.

• Effetti dei funghi: se un fungo attacca prevalentemente la cellulosa il legno può disfarsi

completamente; se un fungo attacca prevalentemente la lignina la struttura residua può

rimanere come uno scheletro debole.

• Fotodegradazione: la lignina è particolarmente sensibile ai raggi UV → esposizione solare

può causare degrado e alterazione superficiale, problema visibile soprattutto per manufatti

esterni in conifere.

Collegamento fra struttura chimica e comportamento macroscopico

• L’orientazione delle microfibrille e la composizione chimica della parete cellulare

spiegano: resistenza in direzione assiale, facilità di spacco lungo la fibra, ritiro/

rigonfiamento in relazione all’umidità, e la diversa risposta del legno a trattamento chimico/

biologico.

• La sezione di taglio (radiale vs tangenziale) è un fattore determinante per prevedere i

movimenti dimensionali e la stabilità di una tavola: per progettazione e uso è fondamentale

riconoscerla e sceglierla in funzione dell’applicazione.

Struttura chimica della parete cellulare

Componenti principali

• Cellulosa: polimero lineare di glucosio; forma microfibrille che conferiscono resistenza e

direzionalità meccanica.

• Emicellulose: polisaccaridi (non solo glucosio: galattosio, mannosio, xiloso ecc.) che

fungono da interfaccia tra cellulosa e lignina; sono i primi componenti attaccati nel

degradamento biologico.

Funzione: fanno da "cartilagine" tra cellulosa ("scheletro") e lignina ("muscoli"),

◦

permettendo scorrimenti e deformazioni del legno.

• Lignina: polimero aromatico che rende la parete cellulare più resistente alla degradazione; è

il componente più difficile da digerire.

Importanza per il comportamento del materiale

• La disposizione e la polimerizzazione (grado di cristallinità) delle microfibrille di cellulosa

determinano:

proprietà meccaniche (resistenze in direzioni diverse);

◦ facilità di scissione o separazione delle fibre;

◦ risposta al degrado, al sole e ad agenti chimici.

◦

Microfibrille: cristalline vs amorfe, assorbimento d'acqua e movimenti del legno

• Zone cristalline: microfibrille ben impacchettate, alto ordine strutturale, difficili da

separare; conferiscono rigidezza.

• Zone amorfe: microfibrille meno compatte, più permeabili all'acqua.

• Acqua legata (non l'acqua libera nei canali): si lega agli -OH dei glucosidi e si insinua nelle

zone amorfe, causando:

gonfiamento e ritiro delle pareti cellulari (movimenti dimensionali del legno);

◦ è la principale responsabile dei movimenti igrometrici, non l'acqua libera che scorre

◦

nei lumina.

Strati della parete cellulare: ruolo dello strato S2

• Parete cellulare articolata in più strati; S2 è il più spesso e quindi determina in gran parte il

comportamento meccanico.

• Angolo delle microfibrille nello strato S2 rispetto all'asse longitudinale controlla:

anisotropia del materiale;

◦ comportamento a trazione/compressione lungo o trasverso all'asse del tronco.

◦

Anisotropia del legno (direzionalità)

• L'anisotropia dipende dall'orientamento delle microfibrille e dall'eterogeneità della parete

cellulare:

lungo l'asse (longitudinale) il legno è generalmente più resistente;

◦ trasversalmente si deforma e si schiaccia più facilmente.

◦

• Differenze nelle proprietà meccaniche (flessione, taglio, compressione, torsione) derivano

dall'orientamento delle microfibrille e dall'orientamento delle cellule stesse (fibre inclinate o

⚖

torse possono causare torsioni a livello di elemento strutturale).

Distinzione tessutale: conifere vs latifoglie

Conifere (legno omoxilo)

• Elemento principale: tracheidi — cellule che svolgono sia funzione di sostegno che di

conduzione; omogeneità cellulare → legno più uniforme.

• Differenza tra legno primaverile e tardivo:

Primaverile: tracheidi a lume più ampio e parete sottile (maggiore capacità di

◦ trasporto);

Tardivo: tracheidi parete più spessa → anello di accrescimento più scuro.

◦

• Raggi parenchimatici: sempre uniseriati nelle conifere (una sola fila di cellule) —

visibilità macroscopica limitata.

• Canali resiniferi: presenti in alcune specie (pino, abete in certe specie), influenzano

lavorabilità e finitura (resina che incrosta lame, può sbordare con alte temperature).

Latifoglie (legno eteroxilo)

• Presenza di cellule specializzate:

Vasi: conduzione dell'acqua (si osservano come "buchi" nelle sezioni trasversali);

◦ Fibre: funzione di sostegno (pareti spesse).

◦

• Diversità strutturale più elevata: la relazione vasi/fibre cambia con la specie e con la

stagione di crescita.

• Tipologie di porosità:

Ad anello poroso: vasi grandi concentrati all'inizio dell'anello (es. quercia,

◦ castagno, robinia).

A porosità diffusa: vasi distribuiti più uniformemente attraverso l'anello (es.

◦ pioppo, tiglio, acero, molti legni tropicali).

• Raggi parenchimatici: possono essere uni- o pluriseriati; la presenza di raggi pluriseriati

(più file di cellule) è utile per identificare a occhio nudo specie come la quercia

(pluriseriata) rispetto al castagno (uniseriato).

Tabelle riassuntive

Termine Definizione

Cellulosa Polimero di glucosio che forma microfibrille strutturali.

Polisaccaridi vari (galattosio, mannosio, xiloso…) che collegano cellulosa e

Emicellulose lignina; primi degradati.

Lignina Polimero aromatico che rinforza e rende meno degradabile la parete cellulare.

Tracheidi Cellule tipiche delle conifere con funzione mista di sostegno e conduzione.

Vasi Elemento di conduzione nelle latifoglie (si vedono come fori nelle sezioni).

Fibre Cellule a parete spessa per il sostegno nelle latifoglie.

Raggi File radiali di cellule che accumulano riserve; uniseriati o pluriseriati.

parenchimatici

Canali resiniferi Tubuli contenenti resina presenti in alcune conifere.

Sezione Cosa si osserva

Anelli di accrescimento (primaverile/tardivo), vasi (latifoglie), raggi (a volte

Trasversale visibili).

Longitudinale- Alternanza primaverile/tardiva in lunghezza dei tracheidi/vasi; raggi

radiale parenchimatici appaiono come cordoni verticali.

Non mostra facilmente i raggi (poiché sono file sottili); mostra la disposizione

Tangenziale delle fibre e delle giunzioni fra cellule.

Anelli di accrescimento e variabilità climatica

• In climi temperati si formano anelli annuali ben distinti: parte primaverile (cellule a lume

maggiore) e parte tardiva (prevalenza di fibre).

• In climi tropicali gli anelli possono essere meno marcati o assenti; la crescita dipende spesso

dalle piogge, non da stagioni nette, rendendo l'identificazione dendrocronologica più

difficile.

• Esempio pratico: teak (prezioso per nautica) mostra caratteristiche particolari; molti legni

tropicali hanno porosità e pattern di accrescimento meno regolari.

Applicazioni pratiche e riconoscimento macroscopico

• Raggi parenchimatici pluriseriati visibili ad occhio nudo → sospetto di specie come quercia

(utile per identificazione rapida).

• Conifere: legno generalmente omogeneo, tracheidi visibili come unico elemento principale;

presenza di canali resiniferi può suggerire specie resinose (pino, abete).

• Latifoglie: osservare la distribuzione dei vasi per distinguere tra anello poroso e porosità

diffusa.

• La conoscenza della struttura spiega la lavorabilità, il comportamento al cambio d'umidità,

la vulnerabilità al degrado biologico e la risposta meccanica nelle diverse direzioni

(fondamentale in progettazione e restauro).

Note su degradazione biologica e resistenza

• Le emicellulose sono i primi bersagli dei funghi degradatori; cellulosa viene attaccata dopo,

specialmente nelle zone più amorfe; la lignina è più resistente.

• Fattori che influenzano il degrado: composizione chimica, orientamento microfibrillare,

presenza di resina, esposizione solare e condizioni ambientali (es. alta montagna favorisce

certi processi).

Identificazione delle sezioni e ruolo degli anelli di accrescimento

• Anelli di accrescimento: elemento chiave per riconoscere la sezione osservata (sezione

radiale, tangenziale, trasversale) e per leggere la storia di crescita dell'albero.

• La visibilità e il disegno degli anelli variano con la specie: conifere (es. pini, abete, cipresso)

e latifoglie (es. castagno, quercia) mostrano pattern diversi; nelle specie a porosità diffusa

gli anelli sono meno netti.

Terminologia e caratteristiche fondamentali

Termine Descrizione

Anello di Strato annuale formato da legno primaverile (cellule grandi, pareti sottili) e legno

accrescimento tardivo (cellule più piccole, pareti più spesse).

Legno Porzione dell’anello con cellule più grandi: peso e densità inferiori.

primaverile Porzione dell’anello con cellule più piccole e pareti più spesse: densità e

Legno tardivo resistenza maggiori.

Porosità Disposizione dei pori nelle latifoglie che rende meno evidente il confine annuo.

diffusa

Densità intra- Variazioni di colore/densità all’interno dello stesso anno per condizioni

anulare climatiche.

Canali File di canali resiniferi formatesi per trauma o gelo che possono indebolire

resiniferi localmente il legno.

anomalI

Relazione tra ampiezza dell’anello e proprietà meccaniche

• Ampiezza maggiore degli anelli → maggiore proporzione di legno primaverile, quindi

massa volumica più bassa e, in genere, minore resistenza meccanica.

• Per alcune applicazioni (soprattutto strutturali) un’eccessiva ampiezza degli anelli può far

superare soglie di accettabilità: il materiale può essere declassato o scartato.

• Questa considerazione è più rilevante per conifere, ma anche alcune latifoglie (es.

castagno) possono mostrare problemi legati all’irregolarità degli anelli (fessurazione,

cipollatura).

Cause dell’irregolarità degli anelli e impatti pratici

• Fattori che influenzano l’ampiezza e la regolarità:

clima (pioggia, siccità, stagionalità);

◦ concorrenza con piante vicine (crescita più lenta finché lo spazio non si libera);

◦ quota altimetrica (abeti a bassa quota hanno anelli più larghi rispetto a quelli ad alta

◦ quota);

eventi traumatici (gelo, caduta di alberi vicini).

◦

• Conseguenze pratiche:

legno con anelli molto irregolari può presentare maggiore tendenza a fessurazione in

◦ fase di essiccazione;

difetti possono emergere solo dopo la stagionatura (quando il legno perde acqua);

◦ l’anello può diventare un indicatore di difetti futuri (es. cipollatura nel castagno).

◦

Valutazione e classificazione per uso pratico

• Per la maggior parte degli usi da costruzione a basso valore gli anelli non sono determinanti;

per impieghi strutturali o di pregio sono invece considerati nella classificazione.

• Le segherie preferiscono materiale dritto e con accrescimenti regolari: minori scarti,

maggiore sfruttamento della lunghezza e meno problemi di lavorazione.

• Nell’ambito della stessa specie la variabilità degli anelli può decidere l’assegnazione di una

qualità o il declassamento del legno.

Esempi applicativi e casi particolari

• Per strumenti musicali si ricercano anelli regolari e uniformi: ad esempio l’abete rosso di

risonanza (zona di Paneveggio) ha accrescimenti molto regolari che favoriscono qualità

timbriche desiderate.

• Anomalie come densità intra-anulare (zone più chiare dovute a siccità estiva seguita da

piogge) e file di canali resiniferi (formati da traumi o gelate) sono visibili e devono essere

valutate: alcune sono solo estetiche, altre possono indicare punti di fragilità.

Difetti specifici e come si manifestano

• Cipollatura (castagno): legata a irregolarità di crescita, si m