Appunti Tecnologia del Legno

Tecnologia del Legno

CdL Disegno Industriale, a.a. 2018/2019, Prof. M. Fioravanti

Legno materiale di origine Biologica 3

1.1 Struttura del legno 3

1.2 Componenti costitutivi del legno 4

1.3 Organizzazione ultrastrutturale ed anisotropia del comportamento meccanico 4

Aspetti della struttura 5

Estrattivi 5

Lignina 5

Relazioni legno - acqua 6

2.1 Organizzazione ultrastrutturale ed anisotropia del comportamento igroscopico 6

2.2 Intervallo igroscopico 7

2.3 Valori di umidità del legno (UEQU) 8

2.4 Effetti dell’acqua legata al legno 8

2.5 Ritiri e rigonfiamenti 9

2.6 Effetti dell’anisotropia dei ritiri 10

2.7 Comportamento del legno in relazione “Dimensione - Tempo” 11

Caratteristiche legno 12

3.1 Densità 12

3.2 Comportamento meccanico del legno 12

3.3 Riduzione della resistenza meccanica 14

3.4 Comportamento elastico, viscoelastico e meccano-sorbitivo 14

Classificazione del legno per usi Strutturali 16

4.1 Metodo delle Tensioni ammissibili e Semiprobabilistico 16

4.2 Processo di classificazione 16

Legno e suono 18

5.1 Propagazione del suono e caratteristiche 18

Legno e calore / fuoco 19

6.1 Legno nell’edilizia 19

Alterabilità del legno 20

7.1 Funghi 20

7.2 Insetti e tarli 20

Legno modificato 22

8.1 Trattamenti chimici 22

8.2 Trattamenti fisici / termici 23

Colle ed incollaggi 24

9.1 Componenti dell’incollaggio 24

9.2 Classificazione sostanze collanti 24

Termoindurenti 25

Termoplastiche 25

9.3 Invecchiamento delle colle e tenuta dell’incollaggio 26

1

Produzione e prodotti derivati del legno 27

10.1 Segagione 27

10.2 Sfogliatura e Tranciatura 29

10.3 Sfibratura e Triturazione 30

Macro particelle 30

Particelle di piccole dimensioni 31

Particelle con dimensioni di fibre 31

10.4 Altri tipi di pannelli 31

Metodi di incastro 33

Tecnologie e pannelli 34

2

1. Legno materiale di origine Biologica

L’​ origine biologica è l’elemento caratterizzante del legno rispetto agli altri materiali, come ad

esempio il metallo (materiale di sintesi) ottenuto tramite lavorazione.

Ai giorni d’oggi si sta verificando un incremento della CO​ nell’atmosfera, e quella prodotta in

2

eccesso viene assorbita dagli oceani (sotto forma di composti stabili) e da tutta la componente

vegetale. Il legno rappresenta di per sé uno dei più grandi serbatoi di anidride carbonica: in 1 kg di

​

legno rimane stoccata ca. 1.83 CO​ (​ carbon sink

)

; questa caratteristica è presente sia durante la

2

fase di vita del legno, sia nella fase dopo (taglio e utilizzo). Se utilizzato in ambito architettonico, la

sua funzione non si esaurisce solo con la funzione “abitativa”, bensì dispone di altre funzioni.

Il problema principale di questo materiale è il fatto di non poter essere utilizzato in quantità elevata

in quanto l’ecosistema foresta potrebbe essere compromesso: la quantità di legno estraibile in

​ ​

modo sostenibile è l’​ accrescimento annuo che la foresta manifesta → Gestione Sostenibile.

​

Il legno certificato (PEFC e FSC) rappresenta un sistema di produzione del legno (marchiato) la

cui indicazione rimanda al processo produttivo prima menzionato. I derivati di tali materiali sono:

● materiale rinnovabile: piantagioni a rapido accrescimento (es. Pioppo);

● fonte di energia elettrica rinnovabile. ​

Gli schemi di certificazione possono dare luogo ai processi di catene di custodia​ : il prodotto con

sopra tali marchi sta ad indicare la loro derivazione dalla gestione sostenibile del legno.

Il design sta avendo un forte impatto sull’utilizzo del legno in materia: per progettare una finestra,

con un peso medio di 35kg, vengono impiegati (a monte) oltre 100kg di legno con un rendimento

ca. 30%. Lavorazioni come quelle dei Fratelli Campana, ed il “ri-utilizzo” di tale materiale, fa sì che

​

l’impiego del legno abbia un rendimento del 60/70%. Il legno è un insieme di materiali che vanno

a determinare tali materiale: le specie di alberi conosciute sono ca. 15.000.

1.1 Struttura del legno ​

​ ​

L’albero viene utilizzato per intero, sia la parte del tronco sia la parte della chioma

: se tagliato in

​ ​ ​

modo trasversale si possono notare delle circonferenze dette anelli di accrescimento (un anello

si aggiunge ogni passare di un anno solare); solo nei nostri climi, dove vi è l’alternanza tra

stagione di riposo e di accrescimento, il numero di anelli corrisponde all’età dell’albero.

All’interno della sezione tagliata si notano delle zone che presentano colori diversi tra la parte

​

esterna chiara (​ alburno​ ) ed interna scura (​ durame​ ): la prima è la parte dell’albero che conduce

​

H​ O​ , mentre la seconda svolge solo una funzione di sostegno​ , perché non vi è più la conduzione

2​

di acqua. Il durame può essere:

● differenziato​ : se la differenza di colore è netta. La parte

di durame è molto più resistente di quella dell’alburno. Il

colore è dato da sostanze che l’albero dà per evitare

​

attacchi di patologie. La permeabilità, cioè la facilità con

cui le sostanze possono essere cambiate, è molto

importante;

● indifferenziato​ : non è distinto dall’alburno;

● falso durame​ : si riconosce da quello vero, perchè non

presenta anello di accrescimento. ​

Il legno è composto dall’aggregazione di unità elementari: strutture tubolari costituite da cellule

​

vegetali; la parete cellulare è l’elemento che divide una cellula dall’altra. L’anello di accrescimento

3

può contenere cellule che presentano una cavità più grande oppure più piccola: il legno

primaverile presenta delle strutture tubolari maggiore, perchè in primavera c’è un trasporto

​

maggiore di H​ O, mentre il legno tardivo​ avrà dei tubi più piccoli.

2​

​ ​ ​

Il volume è fatto da tanti elementi vuoti, pertanto la massa sarà data dalla parete cellulare​ :

​

​ ​ ​

all’interno si trova una forte disomogeneità e variabilità: i

l campo di variazione della densità del

legno va dai 150kg/㎥ fino ai 1400kg/㎥ (posso scegliere il legno più adatto al mio impiego).

Il comportamento del materiale è deducibile dal comportamento di una singola cellula (trasferibile

​

all’insieme di cellule), pertanto va compreso il comportamento della parete della cellula:

​

​

quest’ultima risente di molti fattori esterni

, di fatto il loro comportamento determina la risposta di

ogni singolo albero a tali fattori.

Ogni albero è in competizione con gli altri, di fatto occupano varie posizioni sociali (​ dominante,

​ ​ ​

​ ​

intermedio, dominato

) e tale suddivisione determina il comportamento e la struttura dell’albero.

1.2 Componenti costitutivi del legno

Essi si dividono in:

​

● parte organica: ​

​

a. Olocellulose: polisaccaridi

. Determinano il comportamento meccanico e regolano

gli scambi igroscopici del legno. I numeri indicano la composizione % della massa di

​

​

legno secco

, ed occupano una quota molto importante. Questa % può essere

​ ​

​ ​

suddivisa in 50% cellulosa e 20% emicellulose

;

​

b. Lignina (20% ca): aumentano la resistenza meccanica del legno e guidano il

​

comportamento termoplastico

;

c. Estrattivi​ : composti di varia natura, sono rimovibili con l’ausilio di solventi polari

senza modificare la struttura del legno. Conferiscono al legno proprietà come

colore, durabilità naturale, stabilità dimensionale, facilità all’incollaggio.

​

● parte inorganica:

​

d. Ceneri: parte di legno rimanente dopo la combustione.

1.3 Organizzazione ultrastrutturale ed anisotropia del comportamento meccanico

​

L’unità di riferimento del legno è rappresentata dalle microfibrille​ , costituite nella parte centrale

dall’aggregazione di singole catene di cellulosa e nella parte periferica dalle emicellulose. Il legame

che permette la congiunzione longitudinale delle singole unità di glucosio è piuttosto stabile e non

facilmente scindibile, ciò conferisce un’ottima resistenza alle sollecitazioni longitudinali.

​

​

La cellulosa è una struttura ad anelli caratterizzati da legami forti costituita da lunghe catene di

​ ​ ​

glucosio (prodotto della fotosintesi). In corrispondenza di ogni vertice vi è un atomo di C

, mentre

​ ​

su ogni molecola di glucosio ci sono cinque gruppi OH. Due molecole di glucosio possono essere

​

legate tramite legame chimico (legame forte)

costituito da particelle OH (per spezzare tale

legami sono necessari 60ca), mentre le

​

particelle rimaste possono formare legame a

​ ​

idrogeno (

legame debole) con altri gruppi simili

(i gruppi OH sono tutti impegnati con legami,

pertanto non ci sono gruppi liberi).

L’​ emicellulosa è un polisaccaride strettamente

legato alla cellulosa: formato da catene più 4

​

corte rispetto alla cellulosa, e sulla struttura principale si possono formare strutture trasversali,

impedendo di avere una struttura ordinata.

A causa della ridotta energia del legame idrogeno, il comportamento delle microfibrille è

anisotropo, con resistenza modesta alle sollecitazioni trasversali. La presenza dei due diversi tipi di

legame spiega il diverso comportamento meccanico del legno in sollecitazione parallela o

trasversale rispetto al suo asse principale.

Un elemento che può legarsi al legno per legame polare è l’​ acqua​ : l’interazione provoca un

rigonfiamento nel materiale, entro un certo limite (determinato dai gruppi OH liberi), e la facilità

con cui si possono unire e spezzare tale legame permette anche una facilità di fuoriuscita

​

dell’acqua, provocando un restringimento nel materiale. Lungo la direzione verticale il

​

​

rigonfiamento non è possibile, fenomeno che avviene però in direzione trasversale

. La posizione

​

delle microfibrille comportano una variazione di tipo fisico e meccanico.

Estrattivi

Comportano il cambiamento di colore del legno e modificano l’​ igroscopicità​ ; possono inoltre

conferire al legno durabilità naturale (aumenta la resistenza a fenomeni esterni).

​ ​

Le colle per legni possono formare legami deboli c

on il materiale: se vi è tanta presenza di acqua

​

​ ​

o estrattivi​ , i punti di aggancio della colla sono già occupati, rendendo difficile se non impossibile

l’incollaggio.

Sono inoltre presenti effetti di natura tossica: alcuni legni, se lavorati, possono presentare delle

micro-particelle dannose all’uomo.

Lignina

Conferisce un’ulteriore resistenza alla parete cellulare, e va a cementificare ed irrigidire le

microfibrille. Essa è idrofoba, pertanto la sua assenza renderebbe il legno inutilizzabile. Questa

​ ​

struttura si auto-satura​ , ed è una matrice termoplastica​ , ovvero con l’aumentare della

temperatura si determina un cambio di struttura: a 140°C la lignina passa dallo stato solido ad uno

stato viscoso. La curvatura del legno data sopra la temperatura di transizione, a temperatura

fredda si verifica in modo permanente.

All’interno di un’unica parete cellulare si trovano diversi strati: la parte più esterna, rivolta verso

altre pareti cellulari, è formata da microfibrille. In gran parte della struttura della parete i mattoni si

dispongono in modo parallelo alla direzione longitudinale della cellula ( si può dire anche “parallele

all’asse maggiore della cellula”). L’anisotropia delle microfibrille viene “trasferita” nello stesso verso

alle cellule, pertanto tutta la struttura sarà di tipo anisotropa. Il massimo della resistenza degli strati

esterni della microfibrilla sarà contro lo “spanciamento”, ed è per questo che gli strati S1 ed S3

hanno una funzione di contenimento, pertanto aiutano lo stato S2 a resistere ad una forza di

compressione. 5

2. Relazioni legno - acqua

2.1 Organizzazione ultrastrutturale ed anisotropia del comportamento igroscopico

Nella zona amorfa alcuni gruppi OH rimasti liberi possono essere punti di aggancio per altre

​

​

sostanze in grado di formare legami polari

, la più rilevante e l’acqua grazie alla spiccata polarità.

Due rilevanti aspetti sono:

● il numero di gruppi OH che rimangono disponibili all’interno delle microfibrille è molto

grande ma finito, per cui la quantità di H​ O che il legno può mantenere direttamente legata

2​

alla sua struttura risulta limitata (​ acqua di saturazione​

);

● la molecola d’acqua possiede una sua dimensione fisica ben definita, pertanto a seguito

​

dell’​ equilibramento igroscopico, legandosi o liberandosi dalla struttura microfibrillare ne

provoca un rigonfiamento o un ritiro. ​

L’acqua non legata alla struttura del legno prende il nome di acqua libera ed è situata nelle cavità

cellulari, mentre l’acqua di saturazione è legata alla struttura della parete. Tale regione ha una

grande capacità di assorbire acqua, ed una volta arrivata al punto di saturazione, l’acqua in

eccesso si presenta sotto forma di acqua libera. Le due tipologie di acqua hanno effetti diversi sul

comportamento del materiale.

Comportamento di una fibra partendo dallo stato fresco e terminando con lo stato anidro:

quando parete cellulare è completamente satura ed il lume cellulare è quasi pieno, viene

​

​ ​

considerata la situazione di partenza

, prima del taglio dell’albero. Una volta tagliato, il legno

​

comincia a manifestare il suo comportamento caratteristico: comportamento igroscopico → “​ Il

legno stabilisce un equilibrio termoigrometrico con l’ambiente che lo circonda”.

​

1. Stabilire l’equilibrio significa che l’​ umidità del legno è legata a quella dell’ambiente​ ;

2. Termoigrometrico: all’interno dell’ambiente, i due parametri che influenzano l’umidità nel

​

legno è la​ temperatura​ e l’​ umidità d

ell’​ ambiente.

La temperatura è facile da misurare, azione difficile riguardo l’umidità. Essa può essere misurata in

diversi modi:​ “umidità relativa dell’aria”​ (UR%), è un rapporto:

umidità assoluta

UR = * 100%

umidità di saturazione ​

​

● umidità Assoluta: è la quantità di acqua allo stato di vapore p

resente in un certo

ambiente. Questo valore non esprime la tendenza dell’ambiente, pertanto questo valore lo

rapporto con l’umidità di saturazione;

​

● umidità di Saturazione​ : valore max di umidità allo stato di vapore che un certo ambiente

può contenere dato un certo valore di temperatura;

​

● Umidità Relativa: la tendenza dell’ambiente a perdere acqua.

​

​

Il campo di variazione​ dell’​ umidità relativa varia da 0 a 100, perchè:

● umidità assoluta → 0 allora umidità relativa (UR%) = 0

● umidità assoluta→ umidità di saturazione → 1 allora UR% = 100

Ci interessa capire l’umidità dell’ambiente perchè dentro di esso si andrà a collocare un materiale

capace di scambiare acqua, e la sua umidità interna è in funzione dell’umidità ambientale. Tale

​

scambio, in ambiente secco, è molto ristretto → l’umidità relativa è diversa​ dall’umidità del legno! 6

2.2 Intervallo igroscopico

Come prima definito, l’acqua è presente sia all’interno dei lumi cellulari (acqua libera) sia all’interno

​

delle pareti cellulari (acqua di saturazione); si definisce punto di saturazione delle pareti

​

cellulari il valore di umidità del legno in corrispondenza del quale tutta l’acqua libera è stata

eliminata​ , mentre tutta l’acqua di saturazione è ancora legata alle pareti cellulari.

Igroscopicità al variare della temperatura

​

​

● ambiente con alta % UR

: l’acqua presente nel legno non viene ceduta, perchè l’ambiente

circostante non permette uno scambio, in quanto è già saturo;

​

​

● ambiente con bassa % UR

: l’acqua tenderà ad abbandonare il legno in favore

​

dell’ambiente. La prima frazione di acqua che si muove sarà l’acqua libera​ , fino a liberare

​

completamente il lume cellulare, portando ad una situazione di saturazione della parete

​ ​

cellulare. Se l’ambiente lo permette, il legno comincerà a perdere anche l’acqua legata​ . In

condizioni normali, per quanto bassa può essere % UR, l’acqua nelle pareti non viene

​

persa completamente; questo avviene solo se il materiale viene messo in ambiente con T >

​

​ ​

100° (

Condizione anidra: l’acqua presente lascerà il materiale, con un conseguente

diminuzione del peso del legno, il quale sarà pari al peso della sostanza cellulare). ​ ​

​ ​ ​

Per determinare l’acqua nel legno basta pesare il materiale, il quale è peso legno - peso H O

.

​

2

​

​ ​

Successivamente verrà portato alla condizione an