Riassunto esame Tecnologia del Legno, prof. Marco Fioravanti, basato su appunti presi a lezione e dispense del professore

Tecnologia del legno

Prof. Marco Fioravanti - Libro: Appunti e dispense del professore

Indice

• 1 Il legno, materiale naturale di origine biologica
• 2 Struttura interna del legno
  • 2.1 Macrostruttura del tronco e del legno
  • 2.2 Microstruttura
  • 2.3 Ultrastruttura della parete
    • 2.3.1 Organizzazione ultrastrutturale e anisotropia del comportamento meccanico
• 3 Relazione legno - acqua
  • 3.1 Comportamento igroscopico
    • 3.1.1 Intervallo igroscopico
  • 3.2 Effetti dell’acqua legata al legno
  • 3.3 Anisotropia dei ritiri
  • 3.4 Comportamento del legno in base a dimensione e tempo
• 4 Caratteristiche meccaniche ed elastiche
  • 4.1 Comportamento meccanico
    • 4.1.1 Riduzione della resistenza meccanica
  • 4.2 Altri tipi di comportamenti
    • 4.2.1 Comportamento elastico
    • 4.2.2 Comportamento viscoelastico e meccano-sorbitivo
• 5 Classificazione del legno per usi strutturali
  • 5.1 Tensioni ammissibili e metodo semiprobabilistico
  • 5.2 Processo di classificazione
• 6 Legno e suono
• 7 Legno e calore
• 8 Alterabilità del legno
  • 8.1 Funghi
  • 8.2 Insetti e tarli
• 9 Legno modificato
  • 9.1 Trattamenti chimici
  • 9.2 Trattamenti termici
• 10 Colle e incollaggi
  • 10.1 Classificazione qualitativa delle sostanze collanti
  • 10.2 Classificazione per rapporto col calore
    • 10.2.1 Colle termoindurenti
    • 10.2.2 Colle termoplastiche
• 11 Produzione di prodotti derivati dal legno
  • 11.1 Segagione
    • 11.1.1 Prodotti derivati dalla segagione
  • 11.2 Sfogliatura e tranciatura
    • 11.2.1 Prodotti derivati dalla sfogliatura
  • 11.3 Triturazione e sfibratura
    • 11.3.1 Prodotti derivati da macro-particelle
    • 11.3.2 Prodotti derivati da piccole particelle
    • 11.3.3 Prodotti derivati da fibre
  • 11.4 Altri tipi di pannelli
• 12 Pannelli e tecnologie
• 13 Metodi di incastro

Il legno, materiale naturale di origine biologica

Il legno è un materiale naturale, di origine biologica, dalle caratteristiche non costanti né controllabili in sede di “produzione”, se non attraverso una accurata selezione dei singoli pezzi. Il legno viene prodotto da alberi che appartengono a numerose specie, delle quali soltanto qualche centinaio fornisce legname da lavoro che abbia avuto o abbia interesse in Italia; le norme UNI 2853 - 2854 - 3917 indicano i nomi normalizzati delle specie (o dei gruppi commerciali) che rispettivamente vegetano spontanee in Italia, vi sono state introdotte e coltivate, oppure che non vegetano in Italia ma il cui legname vi viene importato.

Raramente, il nome unificato fa riferimento ad una entità geografica (p.es. “Ontano napoletano”, “Pioppo canadese”, “Tuia del Pacifico”); in tal caso esso può indicare in qualche modo la zona di origine o di iniziale diffusione della specie, ma non la provenienza effettiva di un determinato segato, tronco o lotto di legname. Oltre a quelli unificati, sono talora in uso in certe zone o in certi ambienti professionali altri nomi. Per quanto l’uso dei nomi normalizzati non sia obbligatorio, esso è certamente raccomandabile, allo scopo di evitare errori e malintesi che sovente possono costituire vere e proprie scorrettezze; al di là degli aspetti più strettamente culturali o commerciali, resta poi il fatto che i legnami ricavati da specie legnose diverse presentano differenze che non si limitano ai caratteri puramente botanici (come ad esempio la morfologia di foglie e fiori) delle specie da cui provengono, ma riguardano anche numerosi e importanti aspetti tecnici/tecnologici, fra cui ad esempio il colore, l’aspetto, la densità, la stabilità dimensionale, la durabilità naturale, l’omogeneità della struttura, la lavorabilità, l’attitudine alla finitura, le caratteristiche meccaniche, etc., e che quindi occorre accertarsi non soltanto che un nome sia scelto e scritto correttamente, ma che il legno di cui si tratta appartenga realmente alla specie dichiarata.

Una delle più grandi problematiche legate all’uso del legno è la salvaguardia dell’ecosistema foresta: l’eccesso di utilizzo di questo materiale può portare a disboscamenti e deforestazioni che comprometterebbero la stabilità di un sistema capace di assorbire grandissime quantità di anidride carbonica nell’aria che respiriamo (2 kg di CO₂ per 1 kg di legno). Occorre quindi una gestione sostenibile della produzione, la cui quantità corrisponde all’accrescimento annuo della foresta. Per certificare il legno prodotto in modo sostenibile si utilizzano dei marchi (PEFC e FSC), che danno vita a delle vere e proprie catene di custodia sulla produzione. Anche l’uso del legno nel mondo del design sta avendo un forte impatto a livello di consumi: per progettare una finestra con un peso medio di 35 kg, vengono impiegati oltre 100 kg di legno, con un rendimento del 30%.

Struttura interna del legno

Il legno, o xilema, è prodotto dagli alberi, che sono organismi viventi, ed è costituito da cellule vegetali. La maggior parte delle proprietà fisiche e meccaniche del legno è determinata dalla sua struttura, che può essere analizzata a diversi livelli di ingrandimento:

• La struttura chimica (elementare e complessa)
• La ultrastruttura della parete cellulare, che può essere osservata con microscopi molto potenti, come ad esempio il TEM (microscopio elettronico a trasmissione)
• La microstruttura dei tessuti legnosi, che può essere osservata con microscopi ottici, o talora con semplici lenti
• La macrostruttura, che può essere osservata ad occhio nudo, o con lenti a modesto ingrandimento.

Macrostruttura del tronco e del legno

Come è ben noto, l'accrescimento degli alberi avviene mediante la formazione di strati (anelli) di accrescimento, che vengono generati dal cambio, un sottile strato di cellule situato fra legno e corteccia; durante la stagione vegetativa le cellule del cambio si suddividono e si moltiplicano tangenzialmente e radialmente, generando verso l'interno il legno vero e proprio (xilema, costituito da cellule che muoiono e lignificano) e verso l'esterno altri tessuti essenziali per la vita e la protezione dell'albero (floema, corteccia).

Un'altra importante caratteristica del legno osservabile a occhio nudo è il colore: la parte interna è detta durame, e svolge una funzione di sostegno, dal momento che i tessuti legnosi non partecipano più ai processi vitali dell’albero; la parte esterna è detta alburno, e si occupa della conduzione di H₂O nell’albero. Le parti possono essere più o meno distinguibili:

• Il durame può essere differenziato più o meno nettamente a livello di colorazione, chiaro segno della presenza di estrattivi nelle pareti cellulari;
• Il durame può essere indifferenziato se non si intravedono grandi differenze;
• Si parla anche di falso durame nel caso in cui la colorazione della parte centrale non corrisponda agli anelli di accrescimento.

La colorazione dipende principalmente dalla presenza di estrattivi: questi possono influire notevolmente anche su altre proprietà del legno, fra cui la durabilità naturale, la stabilità dimensionale, la permeabilità, la facilità all'essiccazione, l'acidità, la facilità ad essere verniciato od incollato, la tendenza a corrodere le ferramenta e gli utensili in condizioni di elevata umidità, etc.

La struttura anatomica del legno ne definisce le tre direzioni anatomiche fondamentali, idealmente perpendicolari tra di loro, che identificano anche le tre sezioni fondamentali:

• La direzione longitudinale L, definita dalla direzione degli assi delle cellule legnose;
• La direzione radiale R, corrispondente a quella dei raggi parenchimatici;
• La direzione tangenziale T, tangente agli strati di accrescimento.

Microstruttura

Il legno è composto da molte unità elementari sotto forma di strutture tubolari costituite da cellule: queste ultime presentano una forma allungata, con direzione longitudinale circa parallela all'asse del tronco, e sono costituite da una parete cellulare, che circonda una cavità detta lume cellulare. Le cellule possono presentare variabilità di grandezza della cavità (es. il legno primaverile ha strutture con cavità più ampie per il maggiore trasporto di acqua).

Tutto questo condiziona la densità, che per definizione esprime il rapporto tra massa e volume: gli ordini di misura usati sono il g/cm³ oppure kg/m³. Le pareti cellulari di qualsiasi specie legnosa sono costituite da cellulosa, emicellulose e lignina, e siccome tali sostanze hanno densità abbastanza simili, per qualsiasi specie legnosa e per qualsiasi pezzo di legno la densità delle pareti cellulari è circa la stessa (1,53 g/cm³, o 1530 kg/m³).

Tenendo conto della variabilità di questo valore sulla base di varie caratteristiche, si possono usare diversi valori di riferimento:

• La massa volumetrica normale è il valore che si trova sui testi riportanti le caratteristiche tecnologiche delle diverse specie, e corrisponde a massa e volume con umidità normale 12%, ovvero legno in ambiente a temperatura 20°C e U_R 65%;
• La densità basale esprime il rapporto tra la massa anidra e il volume fresco, ed è utilizzata in particolare dall’industria della carta.

Il campo di variazione della densità può essere grandissimo (da 150 kg/m³ a 1440 kg/m³); una classificazione può essere fatta in questo modo:

• Specie leggere < 500kg/m³
• Specie mediamente pesanti >500<850 kg/m³
• Specie pesanti > 850 kg/m³

Come abbiamo detto, la densità delle pareti cellulari è costante in tutte le specie: a determinare il valore entra in gioco la porosità del legno, ovvero la quantità di parete rispetto alla quantità di vuoti nel legno. Nelle Conifere tali cellule sono chiamate tracheidi, e svolgono funzioni sia di sostegno meccanico che di conduzione della linfa; nelle Latifoglie le due funzioni vengono assolte da cellule specializzate, le fibre (che svolgono funzioni di sostegno) ed i vasi (che svolgono funzioni di conduzione). In tutte le Conifere e Latifoglie esistono poi cellule parenchimatiche (dove si accumulano periodicamente le sostanze di riserva necessarie all'accrescimento dell'albero: amidi, zuccheri, etc.) organizzate in raggi parenchimatici: strutture simili a nastri, che decorrono in direzione radiale dal midollo fino al cambio, e la cui altezza è orientata secondo la direzione longitudinale delle cellule di sostegno. Quando sono costituiti da un solo strato di cellule (raggi monoseriati) oppure sono pluriseriati ma costituiti da pochi strati, i raggi parenchimatici non risultano visibili ad occhio nudo; quando il loro spessore è costituito da molti strati di cellule, risultano più o meno facilmente visibili ad occhio nudo. In qualche specie sono presenti, con maggiore o minore abbondanza, anche cellule parenchimatiche longitudinali, ed altri tipi di cellule (come ad esempio quelle formanti i canali resiniferi), atte a secernere resine, gomme o lattici. La presenza di cellule di vario tipo e la loro disposizione, congiuntamente alla presenza di altri caratteri anatomici, possono essere utilizzate per la identificazione (macroscopica o microscopica) della specie legnosa, che peraltro richiede in generale conoscenze specialistiche e notevole esperienza.

Ultrastruttura della parete

La conoscenza almeno sommaria della struttura e della ultrastruttura del legno costituisce uno strumento indispensabile per comprenderne il comportamento fisico e meccanico, soprattutto per quanto riguarda l'igroscopicità e l'anisotropia (comportamento diverso nelle diverse direzioni anatomiche L,R,T). L’anisotropia in particolare si manifesta a diversi livelli di organizzazione strutturale del legno, dalle modalità aggregazione dei singoli costituenti chimici fino alla struttura dei tessuti.

I costituenti chimici del legno sono rappresentati dalle tre seguenti principali categorie:

• Le olocellulose (60-70%) sono polisaccaridi che rivestono un ruolo fondamentale nel determinare il comportamento meccanico e nel regolare gli scambi igroscopici del legno; sono ancora suddivisibili in cellulose ed emicellulose;
• Le lignine (20-30%) sono composti fenolici insolubili che costituiscono una specie di matrice incrostante che contribuisce a rendere più solido il collegamento fra le catene polisaccaridiche, aumentando la resistenza meccanica del legno e guidandone il comportamento termoplastico;
• Gli estrattivi (1-15%) comprendono composti di varia natura, dagli amidi fino ai fenoli, che possono essere estratti dal legno con l’ausilio di solventi polari (acqua, alcool), e nonostante siano presenti in quantità minore rispetto agli altri costituenti, possono conferire al legno importanti proprietà, quali colore, durabilità naturale, stabilità dimensionale, facilità all'incollaggio ed alla finitura, etc.

Organizzazione ultrastrutturale e anisotropia del comportamento meccanico

A livello di organizzazione ultrastrutturale l’unità di riferimento del legno è rappresentata dalle microfibrille, strutture costituite nella loro parte centrale (cristalite) dalla aggregazione di singole catene di cellulosa, alla quale si uniscono nella regione periferica (zona amorfa) anche le emicellulose. La cellulosa ha una struttura formata da lunghe catene di molecole di glucosio legate tra loro in modo forte tramite i gruppi OH; molti di questi gruppi ossidrilici rimangono liberi e possono formare legami a idrogeno con gruppi simili, mettendo in collegamento le varie catene di glucosio e formando quindi la cellulosa. La debolezza del singolo legame a idrogeno viene rafforzata dalla quantità di legami che si instaurano, secondo un effetto simile a quello di una calamita, donando più rigidità alla struttura. La cellulosa si lega quindi all’emicellulosa, un polisaccaride formato da catene più corte, dalla struttura disordinata. Una microfibrilla presenterà quindi una zona interna stabile e satura, e da una esterna disordinata, con grande capacità di formare legami polari (es. con l’acqua).

A causa della ridotta energia del legame idrogeno (trasversale) e l’alta energia del legame tra molecole di glucosio (longitudinale), il comportamento delle microfibrille risulta anisotropo, con resistenza piuttosto modesta alle sollecitazioni trasversali e resistenza ottimale alle sollecitazioni longitudinali. In conclusione, la presenza dei due diversi tipi di legame che collegano longitudinalmente e trasversalmente le catene polisaccaridiche della microfibrilla, ne spiega il diverso comportamento meccanico nei riguardi di sollecitazioni parallele o trasversali rispetto al suo asse principale. Occorre anche considerare come le microfibrille si dispongono all’interno della parete cellulare: questa può essere considerata come una struttura poli-lamellare costituita da vari strati, dei quali la parete secondaria influenza maggiormente il comportamento della cellula. La parete secondaria è costituita da tre strati S1-S3, costituiti dall’aggregazione di fasci di microfibrille (più numerosi in S2), che in condizioni normali si orientano parallelamente all’asse longitudinale della cellula. Considerando l’anisotropia delle microfibrille, tutte le proprietà meccaniche e igroscopiche si estendono all’intera cellula e all’insieme delle cellule del tessuto legnoso, che tendono anch’esse a disporsi parallelamente all’asse del tronco, determinando la direzione della fibratura.

Relazione legno - acqua

Comportamento igroscopico

Nella struttura della microfibrilla, nella zona amorfa, alcuni dei gruppi ossidrilici rimangono liberi, e fungono da punti di aggancio per altre sostanze in grado di formare legami polari. Fra queste la più importante è sicuramente rappresentata dall’acqua, che grazie alla sua spiccata polarità può formare legami idrogeno con grande facilità. La dinamica con cui l’acqua si lega alle microfibrille è complessa, e presenta due seguenti importanti aspetti: quantità di acqua limitata: il numero di gruppi (-OH) che rimangono disponibili all’interno delle microfibrille è molto grande, ma finito, per cui la quantità... (testo troncato)