Appunti esame Tecnologia del Legno

Esame tecnologia del legno

Lezione 1

Origine e caratteristiche del legno

Il legno è un materiale di origine biologica prodotto da un organismo che cresce (l'albero). Questa sua origine lo differenzia da ogni altro materiale, infatti sono tutti prodotti da un'estensione di materie prime (tramite la trasformazione di queste e dall'intervento dell'uomo che può intervenire sul processo di formazione del materiale → nel legno interviene solo in modo lieve).

Il cambiamento climatico e il ruolo del legno

Il cambiamento climatico è un grande problema al giorno d'oggi, è originato dall'energia solare assorbita e in parte rimessa dalla terra sotto forma di radiazioni infrarossi verso l'atmosfera; se la terra fosse ricoperta da uno strato di CO₂, sarebbe inabitabile per il troppo freddo. L'anidride carbonica intercetta l'energia infrarossa riemessa e mantiene la temperatura terrestre stabile, ma negli ultimi anni la percentuale di CO₂ nell'atmosfera sta aumentando e con questo si ha un aumento del trattenimento di calore (non compatibile con i processi biologici degli ecosistemi); si ha la necessità quindi di ridurre l'anidride carbonica dell'atmosfera abbattendo le emissioni e incrementando l'assorbimento di CO₂ in eccesso (carbon sink) tramite assorbitori quali:

• Oceani (che fissano la CO₂).
• Vegetali autotrofi nel corso della crescita (svolgono la fotosintesi clorofilliana → che usa H₂O, CO₂ e l'energia solare per catalizzare: la pianta che funge da "serbatoio" di carbonio infatti assorbe CO₂ e libera O₂).

Inoltre il legno ha la funzione di sostegno, conduzione idrica e accumulo di sostanza di riserva per l'albero.

Legno certificato e responsabilità del designer

Per legno certificato si intende un legno per cui è stato garantito da organizzazioni (es. PEFC e FSC) che il suo uso non altera il funzionamento dell'ecosistema → può infatti essere usato come materia prima rinnovabile e fonte di energia (si creano catene di custodia: prima viene certificata la foresta, poi il legno, poi i prodotti che sono realizzati secondo regole ecc.).

Il designer ha una grande responsabilità perché il legno è sempre stato usato senza criterio (importante tenere presente che per produrre il legno ci vuole molto tempo) → esempio: per produrre delle finestre si ha il 70% di scarto.

Composizione e utilizzo del legno

Il legno è un insieme di materiali, ovvero diverse specie legnose (infatti il legno non esiste di per sé, ma è un collettivo), di queste ce ne sono circa 1500 specie conosciute che possono subire processi di modificazione (es. la curvatura) e posso essere usati come:

• Legno massello (solo tagliati).
• Derivati.

Per l'albero ad oggi se ne fa un uso "integrale", ovvero se ne usano parti diverse per ottenere prodotti diversi. Le principali parti sono:

• Chioma.
• Tronco: se ne taglio una sezione trasversale vedo degli anelli concentrici (anelli di accrescimento) e per alcune tipologie di clima corrispondono all'età dell'albero.

Nella sezione posso vedere 2 zone di colore diverso:

• Alburno: parte esterna più chiara (conduce acqua tramite una sorta di condotti).
• Durame: parte interna più scura (il nome non dipende dalla durezza, ha la funzione di sostegno).

Proprietà del legno

Sono zone sempre presenti: se la differenza tra i due è netta si parla di durame e alburno differenziato (legno più resistente), altrimenti se non distinguo bene il confine si dice indifferenziato → questo condiziona le proprietà del materiale.

La durabilità (che può essere naturale o conferita) è la capacità potenziale di resistere agli organismi esterni (diverso da durezza) → la parte più durabile è il Durame (svolge funzioni di sostegno e per alcune specie la parete cellulare è ricca di sostanze dette estrattivi), mentre nell’Alburno ci sono sostanze di riserva e nutrimento (non durabile).

Il legno è costituito da tante unità tubolari elementari chiamate cellule vegetali, infatti possiamo vedere tra gli anelli delle zone più chiare che si alternano a zone più scure → sono cellule diverse, alcune sono "tubi" con diametro più grande (= legno primaverile, viene trasportata più acqua) e altri più piccolo (= legno tardivo, periodo autunnale). Il legno è un materiale variabile, la densità è data da Massa/Volume, dove la massa è data dalla parete cellulare delle cellule (il resto è quasi tutta aria) e si parla di ultrastruttura. La densità è molto più alta nel legno tardivo (es. le conifere hanno come legno primaverile 200 kg/m³ e autunnale 800 kg/m³).

Comportamento degli alberi

Gli alberi rispondono agli stimoli esterni in modo quasi istantaneo = come cambia l'ambiente esterno cambia subito il tipo di legno prodotto. Sono in una sorta di competizione tra loro ("scala sociale") infatti possono essere dominati, codominati o dominanti.

Struttura e composizione della parete cellulare

La parete cellulare ha diverse componenti:

1. Polisaccaridi (ca 50/70 %) divisi in:
   • Cellulosa (50%).
   • Emicellulosa (20-25%).
   Anche se ogni specie ha i suoi valori, infatti possono esserci anche grandi differenze tra gli esemplari della stessa specie.
2. Lignina (circa 20/25%).
3. Estrattivi (massimo 10/12%) = sono sostanze che si possono rimuovere dal legno senza cambiarne la struttura.
4. Ceneri (piccola percentuale) = ovvero ciò che resta dopo la combustione, quindi la parte inorganica.

Tramite la fotosintesi clorofilliana viene prodotto glucosio che compone tutto ciò che riguarda l'albero. La molecola del glucosio ha una forma simile a una sedia ed è fatta di carbonio e gruppi ossidrilici -OH (gruppi attivi che possono creare reazioni) = quando 2 molecole di glucosio si avvicinano si creano dei legami chimici forti (ca 60 cal per romperli) e si possono formare lunghe catene di glucosi flessibili (no struttura ordinata) andandosi a creare dei legami più deboli tra gli -OH all'interno della molecola (legami a idrogeno polari), viene a crearsi una catena forte ordinata cioè la Cellulosa (1a): Questa è composta solo da glucosio ed è molto stabile (non ci sono -OH liberi) infatti non si attacca nulla, ha un comportamento fortemente anisotropo (= cambiamento di proprietà in base alla direzione della sollecitazione, comportamento tipico del legno).

L'Emicellulosa (1b) è composta non solo da glucosio ma anche da zuccheri e presenta una catena non ordinata ma una catena principale ramificata con -OH liberi. IMPORTANTE: I "cristalli" di cellulosa sono dispersi in una matrice di emicellulosa detta morfa, il totale di questo crea la microfibrilla, ovvero un "mattone" elementare con cui l'albero crea la parete cellulare: è un comportamento fortemente anisotropo e nella parte periferica vi sono alcuni -OH liberi con cui si possono creare legami polari; in questa regione la microfibrilla reagisce con sostanze polari come l'acqua, il legno rigonfia (fintanto che vi sono -OH liberi) e si sgonfia (sorta di effetto a fisarmonica che può andare avanti in loop) → il legno quindi nasce nella fase massima di rigonfiamento (saturato dall'acqua). Avviene comunque soprattutto in direzione orizzontale e pochissimo verticale (perché la cellulosa blocca questo rigonfiamento), si dice anisotropia della microfibrilla (condizionata largamente da come sono disposte le molecole nello spazio).

Estrattivi e lignina

Gli Estrattivi (3) sono sostanze caratterizzate da un colore molto intenso (grande effetto estetico in quanto condizionano il colore del legno che può essere molto variabile). Hanno proprietà positive:

• Si attaccano nella microfibrilla (facendo concorrenza all'acqua) → il legno pieno di estrattivi si muove meno (come il durame) condizionando l'idrocopicità del legno.
• Determinano il colore del durame.
• Gli estrattivi sono di natura fenolica cioè sono tossici → per questo aumenta la durabilità naturale del legno rendendolo più resistente ad agenti come i tarli.

Ma hanno anche proprietà negative:

• L'incollaggio del legno è dato da tanti legami deboli → se il legno è ricco di estrattivi gli agganci della colla sono occupati da questi (difficili da incollare).
• La tossicità degli estrattivi può essere avvertita anche dagli uomini se inalati e provocare emorragie, allergie e persino tumori dopo lunghe esposizioni (infatti esiste una lista di specie pericolose).

La Lignina (4) è una sorta di insieme di "palline" completamente amorfe che occupano gli spazi vuoti i quali si creano nella struttura fatta di microfibrille. La lignina si cementifica e rinforza la struttura → conferendo grande resistenza a compressione (la microfibrilla conferisce resistenza a trazione). È idrofoba, infatti rende il legno utilizzabile, altrimenti sarebbe inutile per i fenomeni di rigonfiamento e ritiro ed è una matrice termoplastica → all'aumentare della temperatura cambia la viscosità, la temperatura di transizione vetrosa di questa è 140° infatti posso curvare il legno portandolo a questa temperatura per poi raffreddarlo e fissare la forma.

Strati della parete cellulare

Se immaginassimo di ingrandire ancora di più una sezione trasversale di parete cellulare vedrei tanti elementi tubolari (microfibrille) che assieme danno origine alla parete. La posizione delle microfibrille determina le proprietà della cellula e si hanno 3 strati:

• S1
• S2
• S3

S1 e S3 sono strati laterali, più sottili di S2, formati da microfibrille molto inclinate rispetto alla verticale e questi fungono da protezione dallo spanciamento (sono quindi strati di contenimento che aiutano S2. S2 è più grande, è centrale, formato da microfibrille parallele all'asse longitudinale ed è molto resistente a carichi verticali. L'anisotropia della microfibrilla si trasferisce alla cellula che risulta quindi fortemente anisotropa. La cellula è un elemento allungato fatto di tante microfibrille disposte in direzione longitudinale (anisotropia trasferita al legno). Queste cellule possono aggregarsi in modo diverso per formare strutture legnose diverse → le due principali sono:

• Legno Omogeneo = fatto di un solo tipo di cellula (esempio le conifere 100 tipi diversi = alberi sempreverdi)
• Legno di Latifoglie = fatto di diversi tipi di cellule (le altre tipologie di albero)

Lezione 2

Relazione legno e acqua

All'interno del materiale c'è sempre un quantitativo d'acqua. In condizioni normali dell'ambiente una parte del peso è sempre rappresentata dall'acqua che si lega alle microfibrille → l'acqua può essere considerata un componente del legno sempre presente.

L'acqua può essere libera all'interno delle cavità cellulari e questa frazione non è legata alla struttura del legno ma è solo contenuta, la seconda frazione di acqua è detta acqua di saturazione e si lega alla struttura della parete cellulare (a sua volta formata da tante microfibrille dove all'interno di queste è presente una regione amorfa che è capace di legare acqua); l'insieme di tutta la struttura potrà avere attaccata tanta acqua e quando questa è completamente saturata, ulteriore acqua in eccesso diventa acqua libera all'interno delle cavità cellulari (chiamate LUMI CELLULARI).

Nell'albero la condizione dell'acqua non cambia (neanche al variare della stagione), le pareti cellulari sono completamente sature e i lumi sono riempiti d'acqua; il legno quindi manifesta un suo comportamento chiamato igroscopico (la parete cellulare scambia acqua di saturazione con l'atmosfera) cioè stabilisce un equilibrio termo-igrometrico con l'ambiente che lo circonda:

1. L'umidità del legno sarà in funzione con le caratteristiche dell'ambiente.
2. Nell'ambiente, il legno, sarà influenzato da due parametri = dal calore (temperatura: termo) e dall'umidità (igro).

L'umidità relativa è un rapporto (UR% umidità dell'ambiente) è determinata dal rapporto:

UR% = (U assoluta / U saturazione) x 100

L'umidità assoluta esprime il quantitativo di umidità allo stato di vapore che è presente in un ambiente data una certa temperatura. Viene rapportato con un'altra grandezza (termine di riferimento) cioè l'umidità di saturazione: mi dice quant'è il valore massimo di umidità allo stato di vapore che un certo ambiente può contenere data una certa temperatura, se cambio la temperatura quello stesso quantitativo può avere effetti diversi.

Il valore massimo a cui può tendere l'umidità assoluta non potrà mai essere maggiore a quello di saturazione:

• Se l'umidità è al minimo e tende a 0 il legno sarà molto predisposto a cedere umidità.
• Di contro, se UR tende al 100 ed è alto, lo scambio sarà più complesso.

L'umidità relativa fa capire se il quantitativo di vapore è vicino o lontano da quello che può sopportare.

La prima frazione di acqua che inizia a cedere il legno sarà quella contenuta dai lumi e solo dopo finita quella all'interno sarà ceduta quella assorbita dalle parti → quando sta per iniziare a cedere l'acqua assorbita dalle pareti questo passaggio si chiama punto di saturazione delle pareti cellulari, ci dice che tutta l'acqua libera è stata espulsa. In condizioni ambientali normali per quanto basso è il valore di umidità relativo, non possiamo arrivare a perdere tutta la frazione di acqua legata alla parete cellulare; solo se metto il legno in un ambiente molto secco (temperatura superiore ai 100°C) in questo caso tutta l'acqua del legno se ne va (ambiente artificiale completamente anidro).

La differenza di peso iniziale (umido) meno il peso anidro diviso il peso anidro per cento mi dà il valore di umidità di equilibrio (data in % = UE umidità del legno).

UE = [(umido - anidro)/anidro] x 100

Il valore che ci interessa è quello del punto di saturazione delle pareti cellulari, il valore di umidità del legno viene fissata al 30% per convenzione, anche se studiando specie per specie il valore varia (quindi per convenzione il legno contiene il 30% di acqua). Umidità normale (termine di paragone per comparare le caratteristiche delle specie): significa umidità che deriva da una norma → si intende l'umidità che raggiunge il legno quando questo è messo in un ambiente con una temperatura di 20°C e l'UR al 65%, in questo caso il legno ha il 12% di umidità.

Una volta che il legno ha perduto la prima frazione di acqua può comunque riprenderla, l'umidità del legno sarà in funzione dell'umidità ambientale quindi avrà un equilibrio con l'ambiente che non si conclude mai (cede e riprende acqua), il legno cerca sempre di avere un equilibrio di umidità in reazione con l'ambiente.

La struttura della parete cellulare che si viene a formare è fortemente anisotropa quindi l'acqua che può legare a se consente delle variazioni dimensionali importanti (nelle direzioni trasversali) ma non permette variazioni nelle direzioni dei cristalli di cellulosa (che tengono tutto bloccato), quindi la struttura della parete cellulare è molto stabile lungo l'asse maggiore. L'effetto della variazione di umidità del legno su questa struttura inizierà a subire le trasformazioni e comincerà a ridurre le sue dimensioni in modo anisotropo. Il legno è fatto dall'assemblaggio di tante cellule e questo comportamento si trasferirà dalla singola cellula al tessuto; identifico quindi 3 direzioni di comportamento omogeneo del legno (legno è un materiale anisotropo a simmetria ortotropica):

1. Longitudinale: direzione nella quale le fibre si dispongono, quindi una direzione lungo (parallelamente) l'asse maggiore delle fibre.
2. Radiale: va dalla periferia del tronco verso il centro, seguendo gli infiniti raggi che posso determinare, quindi sarà perpendicolare alla longitudinale.
3. Tangenziale: perpendicolare alla direzione radiale (quindi al raggio) e tangente all'anello di accrescimento.

Lungo queste direttrici il legno si comporta in modo omogeneo ma in modo diverso l'una con l'altra.

Rigonfiamento e ritiro

Il ritiro e il rigonfiamento sono fenomeni legati al comportamento del legno con l'ambiente, questi causano variazioni dimensionali e di forma, tensioni interne, deformazioni permanenti e fessurazioni. Sono diversi valori a seconda della direzione.

Valori di ritiro/rigonfiamento

1. Ritiro longitudinale è compreso tra lo 0,1% e lo 0,6%.
2. Ritiro radiale, compreso tra il 2% e il 6%.
3. Ritiro tangenziale (lungo la circonferenza), ritiro compreso tra il 4% e il 12%.

Se confronto il ritiro del tangenziale con quello radiale il rapporto sarà 2 (tangenziale il doppio del radiale), lungo la circonferenza ritira il doppio (T/R=2).

Quando il legno perde acqua libera non ho variazioni di volume (cambia solo il peso). Se scendo sotto il 30% il legno si restringe in modo diverso lungo le 3 direzioni. Posso determinare il coefficiente di ritiro unitario (betaV=deltaV/30), cioè esprime di quanto varia il volume per ogni punto di umidità, passando da umidità del 30% allo 0%. Ogni punto percentuale contribuisce al ritiro totale.

Se il betaV= 0,12/30 = 0,04 ← avrò una variazione del volume di 0,04 %

Il coefficiente va moltiplicato allo spessore così da capire di quanto varia (rigonfiamento è un risultato positivo e con il ritiro negativo).

Per ogni specie dobbiamo cercare valori di ritiro e rigonfiamento corretti, infatti il legno varia il ritiro o il rigonfiamento a seconda dell'umidità dell'ambiente, e ogni tipologia di legno è diversa. Per anisotropia dei ritiri si intende il diverso effetto del ritiro delle tre direzioni: analizzo il problema partendo dalla singola cellula;