MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nauky o dřevě
Mikrovlnná plastifikace dřeva
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Vedoucí bakalářské práce:
Vypracoval:
Ing. Aleš Dejmal, Ph.D.
Tomáš Malík Brno 2014
Prohlášení: Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma Mikrovlnná plastifikace dřeva vypracoval samostatně a uvedl jsem veškeré pouţité prameny. Pouţité zdroje, které cituji, uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Souhlasím, ţe moje bakalářská práce můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a vysokoškolského ústavu ICV Mendelovy univerzity v Brně. Brno, dne…………………………...
Podpis studenta.................................
Poděkování: Děkuji panu Ing. Aleši Dejmalovi, Ph.D. za odborné vedení, konzultaci při zpracování této bakalářské práce. V neposlední řadě děkuji svým rodičům, za morální a finanční podporu při mém studiu.
Jméno: Tomáš Malík Název práce: Mikrovlnná plastifikace dřeva
Abstrakt Bakalářská práce se zabývá problematikou úpravy dřeva pomocí mikrovlnného záření, které je speciálním případem dielektrického ohřevu. Hlavní podstatou této práce je kompilace teoretických informací o mikrovlnné úpravě dřeva. Seznámení s teorií dielektrika a jeho vlastnostmi ve dřevě. Příklady vyuţití mikrovlnné technologie ve dřevozpracujícím průmyslu. Jaké výhody nám tento proces
přináší
oproti
ostatním
běţně
vyuţívaným
výrobním
technologiím
ve dřevozpracujícím průmyslu.
Klíčová slova: Dielektrické vlastnosti, mikrovlny, mikrovlnný ohřev, ohřev, dřevo, frekvence, vlhkost, plastifikace
Name: Tomáš Malík
Worktitle: Microwave plastification of wood
Abstract The bachelor thesis concerns wood processing using microwave radiation, which represents a special case of dielectric heating. The nature of the thesis is to compile theoretical information about microwave wood processing. Introduction to the theory of dieletric and it’s properties in wood. Model application of microwave technology in wood processing industry. Advanteges over other common production technologies.
Keywords: Dielectric properties, microwaves, microwave heating, heating, wood, frequency, humidity, plastification
OBSAH 1. Úvod ............................................................................................................................. 9 2. Metodika a cíl práce ................................................................................................. 10 3. Literární přehled....................................................................................................... 11 3.1 Obecná charakteristika dřeva ................................................................................ 11 3.2 Vlhkost dřeva ........................................................................................................ 11 3.2.1 Stav vlhkostní rovnováhy .............................................................................. 13 3.2.2 Mez nasycení buněčných stěn ........................................................................ 13 3.3 Tepelné vlastnosti dřeva ....................................................................................... 14 3.3.1 Přenos tepla ve dřevě ..................................................................................... 15 3.3.1.1 Stacionární difúze tepla .......................................................................... 16 3.3.1.2 Nestacionární difúze tepla ...................................................................... 17 3.4 Teorie plastifikace dřeva ....................................................................................... 18 3.4.1 Princip plastifikace ........................................................................................ 19 3.4.2 Způsoby plastifikace dřeva ............................................................................ 20 3.5 Elektrické a magnetické vlastnosti dřeva.............................................................. 21 3.5.1 Elektrické vlastnosti ....................................................................................... 22 3.5.2 Magnetické vlastnosti .................................................................................... 22 3.5.3 Teorie elektromagnetického záření ................................................................ 22 3.6 Dielektrikum ......................................................................................................... 24 3.6.1 Teorie dielektrika ve dřevě ............................................................................ 25 3.6.2 Vliv na dielektrické vlastnosti dřeva ............................................................. 26 3.6.3 Dielektrický ohřev ......................................................................................... 27 3.6.3.1 Vysokofrekvenční ohřev ......................................................................... 28 3.6.3.2 Mikrovlnný ohřev .................................................................................. 29 3.6.4 Plastifikace dřeva pomocí dielektrického ohřevu .......................................... 29
3.7 Mikrovlnná technologie ........................................................................................ 29 3.7.1 Princip mikrovlnné technologie ..................................................................... 30 3.7.2 Mikrovlnný ohřev dřeva ................................................................................ 31 3.7.3 Vliv mikrovlnného ohřevu v průřezu............................................................. 32 3.7.4 Konstrukce mikrovlnného zařízení ................................................................ 33 3.7.5 Plastifikace dřeva mikrovlnným ohřevem ..................................................... 34 3.7.6 Parametry mikrovlnného ohřevu dřeva.......................................................... 36 3.7.7 Výhody a nevýhody mikrovlnného ohřevu ................................................... 39 3.7.8 Hygiena pracovního prostředí a ekologie ...................................................... 40 3.8 Ostatní vyuţití mikrovlnné technologie v dřevařském průmyslu ......................... 41 3.9 Nové materiály na bázi dřeva s vyuţitím mikrovlnné technologie ...................... 41 4. Výsledky ..................................................................................................................... 43 5. Diskuse ....................................................................................................................... 45 6. Závěr .......................................................................................................................... 46 7. Summary.................................................................................................................... 47 8. Přehled použité literatury ........................................................................................ 48
1. Úvod Mikrovlnná plastifikace dřeva dnes patří k nedílné součásti dřevozpracujícího průmyslu. V celosvětovém průmyslu snad neexistuje obor, kterého by se mikrovlny nedotkly či se v něm neprosadily. Mikrovlny postupně vytlačují starší technologie a uplatňují se jako efektivnější. V největší míře pak nahrazují konvenční ohřev. Mimo jiné se nabízí jako silný nástroj pro zpracování dřeva. Precizní zpracování pomocí mikrovlnného záření dokáţe zvýšit kvalitu výrobku. V dřevozpracujícím průmyslu se mikrovlnná technologie pouţívá mimo jiné pro sušení a ohřev materiálu. Tato skutečnost je dána vlastnostmi materiálu jako dielektrika. Voda uvnitř dřeva je nezbytná z hlediska ohřevu pro absorpci elektromagnetické energie. Uvnitř materiálu dochází k napětí v jednotlivých molekulách a jejich vzájemným třením poté vzniká teplo. Voda je vytěsňována směrem k místu s niţším tlakem – na povrch. Jako další vyuţití pro dřevo se řadí ohýbání, výroba kompozitních materiálů, lepší impregnovatelnost nebo likvidace dřevokazného hmyzu, hub a plísní. V průmyslových odvětvích existují i jiná vyuţití. Tato metoda se nevyhýbá ani farmaceutickému, potravinářskému či textilnímu průmyslu. Za největší klady této technologie povaţujeme především zkrácení doby potřebné k ohřevu, rovnoměrné prohřátí v celém objemu a z hlediska ekonomického je to úspora pracovního prostoru a především energie.
9
2. Metodika a cíl práce Bakalářská práce je kompilačního charakteru a v práci není autorem realizován ţádný experiment. Cílem této práce je seznámení s mikrovlnnou technologií, jeţ se vyuţívá v dřevařském průmyslu, v konkrétním případě pro plastifikaci dřeva. Pro zpracování bylo vyuţito odborných publikací a závěrečných prací, které se zabývaly problematikou daného tématu. Hlavním postupem zpracování je předchozí nastudování dostupných materiálů pro jednotlivé kapitoly, pochopení základních principů a sestavení odborného textu týkající se mikrovlnné plastifikace. Souhrnem práce je zhodnocení přínosu dřevařskému průmyslu, vyzvednutí výhod této technologie a zároveň upozornění na moţné nevýhody ekologický dopad mikrovlnné plastifikace.
10
3. Literární přehled 3.1 Obecná charakteristika dřeva Dřevem se rozumí hmota organického původu, která se vytváří přírodními procesy za spolupůsobení ovzduší a půdy v kmenech, větvích a kořenech dřevin. Dřevo představuje soubor rostlinných pletiv, jejichţ převáţná většina buněk má zdřevnatělé buněčné stěny (Šlezingerová, Gandelová, 2002). Jde tedy o vláknitý kompozit vyznačující se specifickou chemickou stavbou, skládající se z biopolymerů celulosy, hemicelulosy a ligninu. Tyto biopolymery se následně podílejí na stavbě buněčných stěn anatomických elementů, které mají svoji specifickou funkci ve vztahu k vlastnostem dřeva. A především tyto vlastnosti mu zajišťují pozici nejpouţívanějšího materiálu v různých oblastech lidské činnosti, jako je např. výroba nábytku, hudebních nástrojů či stavebně - konstrukční oblast apod. (Horáček, 2001).
3.2 Vlhkost dřeva Dřevo je ve vztahu k okolnímu prostředí hygroskopickým materiálem schopným přijímat nebo odevzdávat vodu, ať uţ ve skupenství kapalném nebo plynném, a má schopnost měnit svoji vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí. Schopnost suchého dřeva poutat stavebními látkami buněčné stěny (celulózou a hemicelulózami) kapaliny a plyny vyplývá z ontogeneze elementů dřeva, které byly diferencovány v plně nasyceném vodním prostředí. Přítomnost vody byla navíc nezbytnou podmínkou pro udrţení ţivota vůbec. Ačkoliv dřevo můţe přijímat i jiné kapaliny a plyny, voda je z praktického hlediska nejdůleţitější. Rostoucí strom obsahuje velké mnoţství vody, která je nezbytná pro jeho existenci. Po skácení se obsah vody ve dřevě podle dalšího pouţití dále sniţuje nebo zvyšuje. Vzhledem k hygroskopicitě však dřevo prakticky vţdy vodu obsahuje. Ve většině případů voda ve dřevě ovlivňuje i vlastnosti dřeva a způsobuje často jejich zhoršení. Se změnou obsahu vody ve dřevě jsou spojeny změny fyzikálních a mechanických vlastností, odolnosti proti houbám a napadení hmyzem, technologických postupů zpracování dřeva a další procesy. Jedním z nejdůleţitějších dějů z tohoto pohledu je pohyb tekutin ve dřevě, pro který má rozhodující význam stavba vodivých cest (Horáček, 2008).
11
Vlhkostí dřeva rozumíme mnoţství vody, které se nachází ve dřevě. Vyjadřuje se poměrem hmotnosti vody k hmotnosti absolutně suchého dřeva, v tom případě hovoříme o absolutní vlhkosti. Kdyţ vlhkost dřeva vyjadřujeme poměrem hmotnosti vody a hmotnosti mokrého dřeva, hovoříme o relativní vlhkosti dřeva. Absolutní a relativní vlhkost dřeva se nejčastěji vyjadřuje v % a vypočítá se podle následujících vztahů.
kde mw– hmotnost vlhkého dřeva, m0 – hmotnost absolutně suchého dřeva, mv – hmotnost vody Absolutní vlhkost dřeva se pouţívá pro charakteristiku fyzikálních a mechanických vlastností dřeva. Relativní vlhkost se vyuţívá tam, kde je nezbytné znát procentuální zastoupení vody z celkové hmotnosti mokrého dřeva, např. při prodeji nebo nákupu dřeva podle jeho hmotnosti (Horáček, 1998). V závislosti na podílu vody ve dřevě ve vztahu k sušině dřeva rozlišujeme tři hraniční hodnoty:
-
vodu chemicky vázanou - je součástí chemických sloučenin. Nelze ji ze dřeva odstranit sušením, ale pouze spálením, proto je ve dřevě zastoupena i při nulové absolutní vlhkosti dřeva. Zjišťuje se při chemických analýzách dřeva a její celkové mnoţství představuje 1 - 2 % sušiny dřeva. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností nemá ţádný význam.
-
vodu vázanou (hygroskopickou) - nachází se v buněčných stěnách a je vázána vodíkovými můstky na hydroxylové skupiny OH amorfní části celulózy a hemicelulóz. Voda vázaná se ve dřevě vyskytuje při vlhkostech 0 - 30 %. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností má největší a zásadní význam.
12
-
vodu volnou (kapilární) - vyplňuje ve dřevě lumeny buněk a mezibuněčné prostory. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastnostímápodstatně menší význam neţ voda vázaná (Horáček, 1998).
3.2.1 Stav vlhkostní rovnováhy Dřevo umístěné v prostředí s konstantními parametry a ponechané dostatečně dlouho, dosáhne stavu vlhkostní rovnováhy. Vlhkost dřeva odpovídající tomuto stavu nazýváme rovnováţnou vlhkostí. Pojmem sorpce budeme označovat proces dosahování rovnováţné vlhkosti zdola (navlháním), opačným pojmem je desorpce (vysušení). V širším smyslu chápeme pod sorpcí jen proces dosahování rovnováţné vlhkosti bez zřetele na to, či dřevo vodní páru přijímá nebo uvolňuje. Závislost rovnováţné vlhkosti dřeva na relativní vlhkosti vzduchu při konstantní teplotě nazýváme sorpční izotermou (Poţgaj a kol., 1997) Mezi známé sorpční teorie patří např. Dentova teorie, teorie BET či sorpční teorie dle Deboera a Zwickera. V odborné literatuře lze nalézt přes 80 sorpčních teorií.
3.2.2 Mez nasycení buněčných stěn Tato definice se můţe vyjadřovat několika názvy ať to je pouţití názvu „bod nasycení vláken“ nebo „mez nasycení buněčných stěn“ (MNBS). Tyto názvy vyjadřují to stejné. V nauce o dřevě sotva najdeme termín, který má tolik definic jako bod nasycení vláken. Závislost mechanických vlastností od vlhkosti dřeva sledoval Tiemann v roce 1906. Bod nasycení vláken definoval jako vlhkost, při které se tyto vlastnosti prudce mění. Bod nasycení vláken se prakticky určoval jako průsečík klesající funkce opisující závislost mechanické vlastnosti od vlhkosti s přímkou. Později Tiemann definoval tento bod jako vlhkost, při které se dřevěná substance stává nasycenou a diferenciální teplo sorpce je rovné nule. Nakonec ho ten stejný autor definoval jako vlhkost dřev, při které jsou buněčné stěny nasycené vodou, ale v lumenech voda není. Bod nasycení vláken se tedy od začátku chápe jako ostré rozhraní mezi vodou volnou a vodou vázanou. Prakticky je moţno MNBS charakterizovat jako maximální vlhkost buněčných stěn u dřeva, které bylo dlouhodobě uloţeno ve vodě. Teplota nemá na tuto veličinu prakticky ţádný vliv. Vlhkost při MNBS se u našich dřevin pohybuje v rozmezí 22 - 35 % (průměrně 30 %) a závisí zejména na druhu dřeviny, tj. anatomické a chemické stavbě dřeva. Vzhledem k obtíţnému určení MNBS je vhodnější pouţívat 13
mez hygroskopicity. MH je takovou rovnováţnou vlhkostí, kterou dosáhne dřevo dlouhodobě vystavené prostředí (vzduchu), jehoţ relativní vlhkost je blízká nasycení (φ = 0,995 %). Rozdíl mezi MNBS a MH tedy spočívá zejména v prostředí, kterému je dřevo vystaveno. U MNBS je to voda ve skupenství kapalném, u MH je to voda ve skupenství plynném. Při teplotě kolem 15 – 20 °C mají obě veličiny přibliţně stejnou hodnotu, průměrně kolem 30%, ale na rozdíl od MNBS je mez hygroskopicity závislá na teplotě a s rostoucí teplotou klesá. V učebních textech se při výkladu vlivu vlhkosti na fyzikální vlastnosti obvykle mezi MNBS a MH nerozlišuje (Horáček, 1998).
3.3 Tepelné vlastnosti dřeva Tepelné vlastnosti nás zajímají z důvodu, kolik je třeba dodat tepla systému dřevo – voda, čímţ se prohřeje na poţadovanou teplotu a dovoluje nám provádět jednotlivé technologické postupy, které vedou k výslednému výrobku. Poznání zákonitostí přenosu se uplatní všude tam, kde potřebujeme vědět časoprostorové rozloţení teploty ve dřevě (například hypotermická úprava a chemická ochrana dřeva, lisování apod.) a současně i tam, kde nás zajímá mnoţství tepla potřebné na
vykonání
jednotlivých
technologií.
Významné
místo
má
i
posuzování
tepelně - izolačních vlastností dřeva, dřevěných materiálů a konstrukcí z nich (Poţgaj a kol., 1997). Tepelné zpracování dřeva je úzce spojeno se znalostí anatomické stavby dřeva, chemického sloţení a zákonitosti anizotropie. Přenos tepla ve dřevě jako v materiálu kapilárně - pórovitém s ortogonální anizotropií, je závislý především na směru, objemové hmotnosti, teplotě a vlhkosti dřeva. Šíření tepla a jeho empirické odvození se stalo ústřední myšlenkou uţ mnoha prací, nicméně je značný rozdíl popisovat tuto problematiku pro materiál izotropní a materiál anizotropní. Podstatou je dodat určité mnoţství tepla do látky, případně do určité její části, která má být tepelně zpracována, za
účelem
vykonání
potřebné
fyzikální
nebo
chemické
přeměny.
Molekulárně - kinetická teorie vysvětluje přenos tepla, tak ţe molekuly z oblasti o vyšší teplotě pronikají do oblasti chladnější, kde předají část své kinetické energie. Tuto energii získá pohybující se molekula jako výsledek nárazu, v závislosti na vnitřním pohybu molekul, jinými slovy vzájemnými sráţkami částic. Tento molekulární pohyb je limitován vzdáleností a kinetickou energií, pak je zřejmé, ţe intenzita pohybu,
14
respektive přenos tepla, bude u tuhých látek mnohonásobně vyšší neţ u tekutin. Samotný přenos tepla je uskutečňován třemi základními mechanismy (Horáček, 2001). 3.3.1 Přenos tepla ve dřevě Znalost procesů spojených s přenosem (sdílením) tepla ve dřevě nám umoţňuje předvídat rychlost teplotního spádu a rozloţení teplot v tělese při existenci gradientu teplot v tělese. Přenos tepla ve dřevě se můţe teoreticky uskutečňovat ve třech základních formách - vedením (kondukcí), prouděním (konvekcí) a sáláním (radiací). Analogicky k pohybu vody vázané ve dřevě je i tepelný tok moţno popsat jako stacionární nebo nestacionární děj. Je-li po celou dobu vedení tepla v tělese konstantní teplotní spád, popisujeme přenos tepla stacionárním dějem, není-li teplotní spád konstantní, mluvíme o nestacionárním přenosu tepla. Poznání zákonitostí přenosu tepla se uplatňuje tam, kde potřebujeme znát časově - prostorové rozloţení teploty ve dřevě (hydrotermická úprava dřeva). Význam přenosu tepla vzrůstá zejména při stanovování sušících reţimů a posuzování tepelně - izolačních vlastností dřeva. Teplo se přenáší vnitřním pohybem molekul v závislosti na jejich vzdálenosti a kinetické energii. Molekulární pohyb je mnohem intenzivnější u tuhých látek neţ u tekutin, protoţe přenos tepla probíhá vzájemnými sráţkami částic. U tekutin jsou tyto částice navzájem vzdáleny mnohem více, neţ je tomu u pevných látek, a proto u tekutin dochází k menší četnosti sráţek a přenos tepla je pomalejší (Horáček, 2008). -
vedení (kondukce)
-
proudění (konvekce)
-
sálání (radiace)
Vedení tepla (kondukce) je formou přenosu energie v hmotném prostředí, kterého objemové elementy zůstávají v klidu. Proudění tepla (konvekce) je přenosem energie hmotným prostředím, kterého hmotné elementy vykonávají translační pohyb. Sálání tepla (radiace) je vyzařování nebo přijímání energie ve formě záření, přičemţ na přenos energie mezi dvěma tělesy není potřeba hmotné prostředí. Radiace tedy můţe probíhat i ve vakuu. Podíl konvekce a radiace na celkovém přenosu tepla ve dřevě je obvykle malý. (Poţgaj a kol., 1997).
15
Vedení tepla se popisuje Fourierovým zákonem ve tvaru
kde
je vektor hustoty tepelného toku, tedy mnoţství tepla, které proteče jednotkovou
plochou za jednotku času Fourierův zákon tedy říká, ţe v izotropním prostředí má vektor hustoty tepelného stejný směr, ale obrácenou orientaci jako gradient teploty. Sloţky gradientu
toku
teploty jsou dané parciálními derivacemi teploty podle prostorových souřadnic (Poţgaj a kol., 1997)
Derivace jsou kladné ve směru rostoucí teploty, avšak teplo se šíří od vyšších teplot k niţším. V anizotropním prostředí má Fourierův zákon všeobecný tvar
přičemţ
jsou sloţky vektoru hustoty tepelného toku,
sloţky gradientu teploty,
- koef. tepelné vodivosti (Poţgaj a kol., 1997)
3.3.1.1 Stacionární difúze tepla Stacionární difúzi tepla ve dřevě popisujeme I. Fourierovým zákonem, jenţ je obdobou Darcyho a I. Fickova zákona popsání pohybu vody ve dřevě. Důleţitou součástí pro stacionární difuzi tepla je rovnice v integrálním tvaru, od které lze potom odvodit nestacionární difúzi tepla (Horáček, 2001)
16
Q – mnoţství tepla (J), S – plocha tělesa (m2), t – čas (s), λ – koeficient tepelné vodivosti (W.m-1.K-1), ΔT – teplotní rozdíl (K), Δx – vzdálenost rozdílných teplot (m). Ustálené podmínky stacionární difúze tepla pro dřevo kde jsou všechny kritéria spojitými funkcemi prostorových souřadnic a času, nejsou dostačující (Nasswettrová, 2008)
3.3.1.2 Nestacionární difúze tepla Za předpokladu, ţe budeme chtít rozloţení teploty ve dřevě v čase, je nezbytné rovnici podle I. Fourierova zákona derivovat podle času a vzdálenosti (Horáček, 2001).
t,x
Při přechodu tepla přes objem látky ΔV se část tepla spotřebuje na vyrovnávání vnitřní energie částic o ΔT a zbytek se přenese analogicky k I. Rovnici termodynamiky, tedy podle zákona zachování energie (Horáček, 2001)
Rozepíšeme-li a upravíme rovnici I. Fourierova zákona dostaneme
konstantu a nazýváme koeficientem teplotní vodivosti, která vyjadřuje schopnost materiálu vyrovnávat teplotní rozdíly v tělese (Merenda, 2006). Podobně jako koeficient difúze má i koeficient a rozměr m2.s-1 a souvisí s rychlostí vyrovnání teploty v tělese (Poţgaj a kol., 1997).
17
3.4 Teorie plastifikace dřeva Plasticita je schopnost dřeva trvale změnit svůj tvar, pomocí vlivu vnějších sil bez porušení materiálu. Před porušením se materiál plasticky deformuje. Plasticitu dřeva je moţné zvyšovat cílenou úpravou neboli plastifikací. Při plastifikaci, se mění fyzikálně mechanické vlastnosti dřeva. Dřevo je před plastifikací poměrně pevný materiál s malou pruţností. Pro další technické postupy je třeba ho upravit, aby bylo moţné se surovinou dále pracovat. Cílem plastifikace je tedy dosaţení dočasných nebo trvalých změn fyzikálně mechanických vlastností. Plastifikaci
je
tedy
moţno
definovat
jako
komplikovaný
proces
fyzikálně – chemický, při kterém roste tvárnost dřeva za současného sniţování pevnostních vlastností při zachování integrity. Současně se mění hlavní sloţky lignin – sacharidové matrice (LS) (Trávník, Svoboda, 2007). LS matrice vznikne vzájemným spojením nadmolekulových struktur jednotlivých sloţek dřeva. Za základní sloţky LS matrice povaţujeme celulózu, hemicelulózu a lignin. Celá tato síť je spojena chemickými vazbami. Primárními a sekundárními. Primární kovalentní vazby lze identifikovat jako spojovací prvky jednak mezi základními stavebními jednotkami (monomery) ve struktuře vlastních molekul, a také mezi makromolekulami jednotlivých sloţek dřeva (celulóza + hemicelulóza a hemicelulóza + lignin). Veškeré tyto vazby pracují na principu sdíleného elektronového páru mezi dvěma atomy. Tyto atomy se vyznačují velkou vazebnou energií, která se při vzniku vazby uvolňuje a naopak za účelem rozštěpení vazby musí být dodána. Tyto vazby se představují z velké části typem esterové vazby ( COOH + OH). Z tohoto hlediska je můţeme označovat jako kovalentní (esterové) vazby. Zatímco sekundární vazby mají úlohu spojovací. Jedná se o vodíkové můstky. Umoţňují genezi nadmolekulových struktur z makromolekul u jednotlivých sloţek dřeva. Podstata spočívá ve společném sdílení vodíkového kationtu (jádra vodíkového atomu) mezi dvěma silně elektronegativními atomy. Jelikoţ se jedná pouze o fyzikální interakci, dává předpoklad pro niţší pevnost sekundárních vazeb oproti vazbám primárním. Vazby sekundární v LS matrici mnohdy označujeme jako síť vodíkových vazeb (Brabec, 2012).
18
3.4.1 Princip plastifikace Pro změnu vlastností dřeva je důleţité zhušťování nebo řídnutí LS matric. Porušení vodíkových vazeb je docela snadné. Postačí k tomu pouţití správného plastifikačního činidla (voda, amoniak, močovina, elektromagnetické záření). Porušení kovalentních vazeb je oproti vodíkovým můstkům výrazně sloţitější. Porušení esterových vazeb mezi ligninem a hemicelulózou, které jsou hlavními sloţkami střední lamely. Zde je umoţněn posun na úrovni celých elementů vůči sobě (Brabec, 2010). Úroveň plastifikace je přímo závislá na úrovni, do jaké míry bude změkčena sloţka ligninu, který se nachází ve střední lamele a primární buněčné stěně. Lignin přechází do koloidního stavu při teplotě cca 70°C. Přistabilizaci materiálu přechází lignin zpět do tuhého stavu. Nejvíce účinným plastifikačním činidlem je voda. Voda se projevuje jako plastifikační látka, která způsobí, ţe lignin bobtná, působí jako mazadlo dřevní hmoty mezi vlákny. Toto vede k větší moţnosti posunu elementů (Putna, 2010). Nejlépe ze sloţek dřeva odolává celulóza. Termoplastické vlastnosti dřeva ovlivňuje aţ při teplotách nad 230°C. Na zvýšení plastických deformací má největší vliv zvýšení vlhkosti a teploty materiálu resp. chemikálie, které nahrazují vliv teploty na dřevo, jejímţ účelem jsou dočasné nebo trvalé změny fyzikálně – mechanických vlastností dřeva potřebných na zabezpečení vhodných podmínek pro jeho další zpracování. Během plastifikace dochází k růstu teploty a vlhkost se udrţuje kolem meze hygroskopicity. V průběhu se sniţuje pruţná deformace, klesá modul pruţnosti (Putna, 2010). V důsledku změn chemického sloţení dřeva dochází k nevratným změnám vlastností dřeva při pouţití plastifikačního prostředku za daných podmínek (Trebula, 1989).
-
změny pevnosti dřeva – sníţení pevnosti v tlaku o 60 %, po vychladnutí o 5 aţ 35 %
-
změny hodnoty deformace v tlaku – po plastifikaci je deformace v talku aţ 30 %, po vychladnutí se sniţuje
19
3.4.2 Způsoby plastifikace dřeva Plastifikace se můţe dosahovat několika způsoby v závislosti na pouţitém druhu plastifikačního prostředku a okolních podmínkách (teplota, tlak, čas, atd.). Podle druhu plastifikačních činidel rozeznáváme základní způsoby plastifikace dřeva 1. Hydrotermická úprava – na dřevo působí vodní pára nebo horká voda 2. Chemická plastifikace – na dřevo působí chemické činidla, kterými jsou plynný amoniak, kapalný amoniak, amoniakální voda nebo močovina 3. Plastifikace vysokofrekvenční energií – na dřevo působí vysokofrekvenční proud nebo ultrazvuk (podmínkou je Rw = 30%) Při vhodně zvolených podmínkách vlhkosti dřeva, teploty a času dosahujeme optimálního plastického stavu. Hydrotermická úprava Touto metodou dosáhneme plastičnosti dřeva tak, ţe na materiál necháme působit vlhkost a teplotu. Pórovitost dřeva má velký vliv na konečnou úpravu. Způsoby hydrotermické úpravy: -
přímé paření
-
nepřímé paření
-
vaření
-
vlhký vzduch
Paření dřeva Tato tepelná úprava má splnit podmínku, aby dřevo změnilo přechodně své mechanické vlastnosti. Některé vlastnosti se po ochlazení a vysušení vrací. Některé však přetrvávají a jsou nezvratné. Při přímém paření je materiál uloţen v pařícím zařízení, do kterého je dopravována většinou odpadová odolejovaná pára. Pára má mírný přetlak 0,02 aţ 0,05 MPa. Teplota se pohybuje v rozmezí 102 aţ 105 °C. U metody nepřímého paření je materiál ukládán na rošty, které se nachází nad hladinou ohřívané vody. Voda je poté postupně vypařována do prostoru pařící jámy. 20
Vaření dřeva Materiál je zcela uloţen pod vodní hladinou, která je zahřívána na teplotu okolo 90 °C. Zařízení pro vaření bývá většinou pod úrovní terénu vybavené topnými registry popřípadě mechanismem, který zajistí plnění a výběr bez nutnosti vypouštění vody. Tento proces je pro materiál šetrnější. Úprava vlhkým vzduchem Na dřevo působíme vzduchem s vysokou relativní vlhkostí a teplotou okolo 100 °C Chemická plastifikace dřeva Princip spočívá v uloţení dřevěných hranolků do močoviny nebo čpavku, při čemţ dojde k přechodné plastifikaci a moţnosti dřevěný dílec tvarovat do velmi malých poloměrů. Určitým nedostatkem jsou následné barevné změny. Po vyprchání chemikálií je dřevo prakticky zdravotně nezávadné. Tento způsob plastifikace však nelze zařazovat do hydrotermické úpravy dřeva (Dejmal, 1995). Plastifikace vysokofrekvenční energií U tohoto způsobu působí vysokofrekvenční elektrické pole, lze ho charakterizovat jako elektromagnetické záření o určité frekvenci, vlnové délce a rychlosti šíření el. pole. Vysokofrekvenční ohřev vyuţívá frekvenci záření 30 kHz – 300 MHz o vlnové délce 10 km – 1 m.
3.5 Elektrické a magnetické vlastnosti dřeva Dřevo je přírodní materiál s komplexní strukturou a stavbou, a je-li vystaveno střídavému elektromagnetickému poli, vykazuje své další specifické vlastnosti. Elektromagnetické pole se skládá ze dvou komponent - elektrického a magnetického pole. Vliv obou komponent na dřevo je rozdílný (Horáček, 1998). Při zkoumání elektrických a magnetických vlastností dřeva nás zajímá, jak se dřevo a dřevěné materiály chovají v elektrickém a magnetickém poli. Z praktického hlediska jsou elektrické vlastnosti dřeva důleţité nejen při jeho pouţití, ale i při technologiích úpravy dřeva a výroby dřevěných materiálů (desky s třískami orientovanými v elektrickém poli, dielektrický ohřev). Pomocí elektrických vlastností se lehce zjišťují i různé vlastnosti dřeva (například měření vlhkosti elektrickými vlhkoměry) (Poţgaj a kol., 1997). 21
Jako
základní
elektrické
vlastnosti
můţeme
uvést
elektrickou
vodivost
a permitivitu. 3.5.1 Elektrické vlastnosti Elektrická vodivost (obrácená hodnota elektrického odporu) závisí na vlhkosti, teplotě, druhu dřeva a směru proudu a při jednosměrném proudu i na napětí. Rozhodující je vlhkost. Suché dřevo je dielektrikum. Elektrická vodivost dřeva rychle vzrůstá se zvýšením vlhkosti do meze hygroskopicity (mění se přibliţně stotisíckrát). Při dalším zvyšování vlhkosti se elektrická vodivost zvyšuje pomalu a při vlhkosti vyšší jak 80 % aţ 100 % je konstantní. V oblasti pod mezí hygroskopicity (od 30 % do 0 %) se elektrický odpor zvyšuje. Dřevo s vlhkostí 7 % aţ 8 % je izolantem. Elektrický odpor napříč vláken je 3 - 4 krát větší neţ podél vláken (Trebula, 1989). 3.5.2 Magnetické vlastnosti Po vloţení látky do magnetického pole s intenzitou H se objemové elementy látky zmagnetizují. Mírou magnetizace je magnetický moment jednotkového objemu látky M. Charakteristikou magnetických vlastností dřeva je magnetická susceptibilita χ, která určuje vztah mezi zmagnetizováním látky a intenzitou magnetického pole (Horáček, 1998).
Látky, které se slabě zmagnetizují ve směru pole, nazýváme paramagnetickými látkami.
Feromagnetické
látky
se
ve
venkovním
poli
zmagnetizují
silně.
Diamagnetickými nazýváme látky, které se zmagnetizují proti směru venkovního pole, čím se celkově zeslabí. Dřevo se zpravidla chová jako diamagnetické látky, dřevěný popel má feromagnetické vlastnosti (Poţgaj a kol., 1997) Tohoto jevu se vyuţívá například při hledání zarostlých kovových částí uvnitř stromu. Souvisí s tím také detekce kovu před zpracováním suroviny v pilařské výrobě.
3.5.3 Teorie elektromagnetického záření Elektromagnetické
záření
představuje
děj
vzájemných
přeměn
elektrické
a magnetické sloţky pole. Obě sloţky, elektrická, kterou představuje vektor intenzity elektrického pole E, a magnetická, kterou tvoří vektor magnetické indukce B, jsou neoddělitelně spjaty a vytvářejí jediné elektromagnetické pole. Tyto sloţky jsou na sebe 22
navzájem kolmé a jsou kolmé na směr šíření vlnění. To znamená, ţe kaţdé elektromagnetické vlnění je příčné vlnění, dostupné na www: (http://www.gymkren.cz/download/ucebni-texty/fyzika/f24.pdf). Tyto poznatky z oblasti elektromagnetických jevů byly vzájemně propojeny v ucelenou teorii v 50. a 60. letech 19. století. Největší zásluhy na tom má především skotský fyzik James Clerk Maxwell. Jedním z podstatných výsledků jeho práce byla číselná hodnota rychlosti šíření elektromagnetických vln ve vakuu. Hodnota souhlasila se známou rychlostí šíření světla a Maxwell byl tak prvním fyzikem, který si uvědomoval, ţe světlo je také elektromagnetické vlnění. Světlo je příčné elektromagnetické vlnění, jeţ ke svému šíření nepotřebuje látkové prostředí (moţnost šíření ve vakuu). Rychlost světla dosahuje hodnoty přibliţně 3.108 m.s-1. Jde tedy o maximální rychlost, kterou se můţe fyzikální objekt pohybovat. Jako světlo se označuje elektromagnetické vlnění, na které je citlivé lidské oko. Šíření elektromagnetické vlny není obecně záleţitost jediného, víceméně přímočaře se šířícího paprsku znázorňujícího směr postupu elektromagnetické vlny, ale často jde o součet více takových vln vzniklých při nejrůznějších odrazech (Miloš Mazánek, Pavel Pechač, Jan Vrba, 2008). Jak nám naznačuje tabulka, rozeznáváme dané kategorie frekvenčních pásem elektromagnetického vlnění. Tab.1. Rozdělení frekvenčních pásem Mezinár. zkratka
Frekvence
Vlnová délka
Název
ELF
3 mHz – 3 kHz
1000 km – 100 km
Extrémně dlouhé vlny
VLF
3 kHz – 30 kHz
100 km – 10 km
Velmi dlouhé vlny
LF
30 kHz – 300 kHz
10 km – 1 km
Dlouhé vlny
MF
300 kHz – 3 MHz
1 km – 100 m
Střední vlny
HF
3 MHz – 30 MHz
100 m – 10 m
Krátké vlny
VHF
30 MHz – 300 MHz
10 m – 1 m
Velmi krátké vlny
UHF
300 MHz – 3 GHz
1 m – 10 cm
Ultra krátké vlny
SHF
3 GHz – 30 GHz
10 cm – 1 cm
Mikrovlny
EHF
30 GHz – 300 GHz
1 cm – 1 mm
Mikrovlny (mm vlny)
23
Čím vyšší je frekvence kmitání elektromagnetického pole, tím kratší je vlnová délka. A právě na této frekvenci či vlnové délce podstatně závisejí vlastnosti elektromagnetických vln, dostupné na www: (http://astronuklfyzika.sweb.cz/JadRadFyzika.htm#Elektromagnetismus). Způsob šíření v praxi výrazně závisí na jejich vlnové délce. Dlouhé vlny se pouţívají ke spojení na velké vzdálenosti. Šíření dlouhých vln je poměrně stabilní a přenos není doprovázen náhlými změnami intenzity přijímaného signálu. Příjem signálů dlouhých vln je stálý, nezávislý na sluneční činnosti. Na středních vlnách se signál přenáší vlnami povrchovými i prostorovými. Setkají-li se v místě příjmu jak vlna přímá, tak vlna odraţená, dojde k interferenci. Podle fázového posunu se buď obě vlny sečtou nebo odečtou. Vlivem velkého útlumu krátkých vln se povrchové vlny šíří pouze do vzdáleností ne větších neţ několik desítek kilometrů. Krátké vlny se šíří především prostorovými vlnami, které mohou zprostředkovat pomocí odrazů spojení i na značné vzdálenosti. Velmi krátké vlny se zpravidla přenášejí pomocí přímých prostorových vln, nebo vln odraţených od země a jiných překáţek. Odrazy od ionosféry se téměř nevyskytují. K ohybu těchto vln podél zemského povrchu nedochází, takţe jejich dosah je na přímou viditelnost mezi vysílací a přijímací anténou. Kratší vlny se šíří výhradně na přímou viditelnost, jejich útlum lze pozorovat jiţ při mlze a dešti, dostupné na www: (http://www.eprojekt.gjs.cz/). Ještě niţší oblast vlnové délky nazýváme mikrovlny, které v dnešní době spadají do širokého oboru uplatnění. Mikrovln se vyuţívá skrze cely světový průmysl od zdravotnictví, stavebnictví, potravinářství, chemikálie, lepidla, barvy, kompozity atd. Pro nás je však nejdůleţitější vyuţití v oblasti dřevozpracujícího průmyslu.
3.6 Dielektrikum Dielektrikum je izolant, který má schopnost polarizace (tedy být polarizován). Izolanty jsou podmnoţinou dielektrik, kaţdý izolant je dielektrikem, nikoli však kaţdé dielektrikum izolantem. Dielektrikum je i obyčejný papír (přesněji celulóza), ale pro zlepšení dielektrických vlastností se napouští různými látkami, např. pryskyřicemi. Pod pojmem dielektrické vlastnosti se skrývají dva veledůleţité materiálové parametry:r elativní permitivita a ztrátový činitel. Pomocí nich jsou látky, přesněji řečeno nevodiče, hodnoceny mezi sebou a vybírány pro odpovídající praktické aplikace.
24
Relativní permitivita, dříve nazývaná dielektrická konstanta, je makroskopická veličina,která poskytuje určitou kvantitativní informaci o sloţitých mikroskopických pochodech, odehrávajících se v látce uloţené v elektrickém poli Ztrátový činitel, ztrátový úhel dielektrika – veličina charakterizující izolant z hlediska jeho dielektrických ztrát. Pro harmonický průběh je ztrátový činitel dielektrika dán poměrem činné a kapacitní (jalové) sloţky proudu protékajícího kondenzátorem s tímto dielektrikem. Různé materiály se ohřívají ve vysokofrekvenčním elektrickém poli s různou intenzitou. O schopnosti materiálu pohlcovat vysokofrekvenční energii rozhodují jeho dielektrické vlastnosti, ztrátový úhel a poměrná dielektrická konstanta (Stivín, 1955). Tab. 2. Jednotlivé dielektrické konstanty vybraných materiálů Materiál
Dielektrická konstanta (
R)
Ztrátový úhel (tan )
Vzduch
1,00
závislost na počasí
Papír
3-4
0.0125 - 0.0333
Voda (destilovaná)
77
0,157
Sklo, keramika
6,0
0.0050
Dřevo balzy
1,30
-
Dřevo
1,2 – 5
0.0040 - 0.4167
3.6.1 Teorie dielektrika ve dřevě Ve dřevě se mohou vyskytovat čtyři druhy polarizace – elektronová, iontová, dipólová a migrační. U kaţdé z polarizací lze stanovit tzv. relaxační čas τ (s) vyjádřený frekvencí f (Hz) odpovídající maximální hodnotě ztrátového činitele tg δ Maximální hodnoty tg souvisí s největší rychlostí poklesu relativní permitivity a s rostoucí teplotou nebo vlhkostí se zvětšují. Doba relaxace je nepřímo úměrná frekvenci. Elektronová polarizace souvisí s posunem elektronů v obalu ve vztahu k jádru atomu. Její relaxační čas dosahuje hodnotu 10-15 s, coţ představuje frekvenci v ultrafialové oblasti. Iontová polarizace je způsobena pruţným posunutím iontů v látkách s iontovými vazbami a její relaxační čas je řádově 10-13 s, coţ představuje frekvenci v oblasti viditelného světla. Dipólová polarizace je podmíněna přítomností permanentních dipólů, jakými jsou hydroxylové skupiny OH, CH2OH a COOH, stejně 25
jako molekulami vody vázané a volné, které se mohou ve vnějším poli natáčet. Časová konstanta se v tomto případě pohybuje od 10-12 do 10-6 s v závislosti na vlhkosti a teplotě dřeva. Migrační polarizace vzniká na rozhraní buněčné stěny, kde se hromadí volné ionty. Časová konstanta této polarizace má hodnotu od 10-6 s do několika minut. U dřeva mají největší význam poslední dvě uvedené polarizace – dipólová a migrační. Příkladem dipólové polarizace je polarizace vody volné ve dřevě – kapaliny se stálým dipólovým momentem. Nepůsobí-li na vodu vnější elektrické pole je orientace dipólů v objemu dřeva nahodilá. Necháme-li ale působit na dřevo elektrické pole o intenzitě E, natočí se dipóly vody ve směru pole a současně se indukuje dipólový moment. Dipólový moment je povaţován za mechanismus polarizovatelnosti dřeva, dostupný z www: (http://wood.mendelu.cz/cz/sections/Props/?q=node/50). 3.6.2 Vliv na dielektrické vlastnosti dřeva Dielektrické vlastnosti dřeva závisí zejména na frekvenci elektrického pole, druhu dřeva a jeho hustotě, anatomickém směru, teplotě a vlhkosti. Závislost na frekvenci je dána podílem jednotlivých typů polarizace, které se ve dřevě vyskytují. Permitivita ε’ při konstantní teplotě a vlhkosti dřeva s rostoucí frekvencí postupně klesá, závislost ztrátového činitele tg δ na frekvenci je sloţitější a vykazuje rozdílný průběh při nízkých a vysokých frekvencích. Vlivem zvyšující se hustoty dielektrické vlastnosti rostou. Vztah mezi permitivitou ε’ a hustotou je zhruba lineární, u ztrátového činitele tg δ byla závislost na hustotě zjištěna jen u suchého dřeva. Dielektrické veličiny mají anizotropní charakter, nejvyšší hodnoty jsou vţdy ve směru vláken. Hodnoty permitivity ε’ ve směru vláken jsou obvykle o 10 - 60% vyšší neţ ve směru napříč vláken. Rozdíl vlastností ve směru radiálním a tangenciálním je malý, obvykle vyšší hodnoty obdrţíme ve směru radiálním. Stupeň anizotropie se mírně zmenšuje se sniţováním teploty a zvyšováním frekvence. Teplota ovlivňuje pohyblivost polárních částic nacházejících se ve dřevě, proto s jejím zvyšováním rostou i hodnoty dielektrických veličin. Účinek teploty je tím větší, čím je větší vlhkost dřeva a niţší frekvence elektrického pole. Zvyšování vlhkosti dřeva způsobuje nárůst permitivity ε’, protoţe se zvyšováním vlhkosti ve dřevě narůstá celkový počet polárních částí, a v důsledku toho se zvyšuje i polarizace. Ztrátový činitel tg δ se obecně s rostoucí vlhkostí zvyšuje, závislost je však silně ovlivněna frekvencí elektrického pole a teplotou dřeva. 26
Tab. 3. Závislost relativní permitivity suchého dřeva ε' na druhu dřeva a anatomickém směru Relativní permitivita ve směru Druh dřeva
podélném
radiálním
tangenciálním
smrk
3,06
1,98
1,91
buk
3,18
2,20
2,40
dub
2,86
2,30
2,46
3.6.3 Dielektrický ohřev Z hlediska dielektrického ohřevu ať uţ dřeva nebo dřevěných materiálů nás bude zajímat pouze úzké pásmo kmitočtového spektra a to pásmo mikrovln. Dielektrickým ohřevem rozumíme určitou specifickou část široké technické disciplíny nazvané elektrický ohřev (Nasswettrová, 2006). Dielektrický ohřev pracuje na principu přeměny energie elektromagnetického pole v energii tepelnou uvnitř materiálů. Pokud se vsázka skládá z více materiálů, při dielektrickém ohřevu se ohřívá pouze ta, jeţ absorbuje elektromagnetické vlnění. Tímto způsobem lze ohřívat elektricky zcela nevodivé látky. Díky pouţitému principu lze dosáhnout vyšší teploty v jádru materiálu, neţ na povrchu. Materiál se ohřívá v celém objemu a dosahuje se značné rovnoměrnosti ohřevu s moţností snadné a přesné regulace teploty a zabránění lokálnímu přehřátí (Kartousek, 2008). Je však třeba si uvědomit, ţe u materiálů s malou tepelnou vodivostí je moţnost, ţe vnitřní teplota přestoupí únosnou mez, poněvadţ vznikající teplo uvnitř se jen pomalu odvádí ven. Dielektrický ohřev rozdělujeme: -
vysokofrekvenční ohřev
-
mikrovlnný ohřev
Metody dielektrického ohřevu jsou obdobné jako metody hydrotermické. U těch výsledek záleţí na stejných parametrech, jako je teplota, vlhkost a čas působení na materiál. Ohřev materiálu probíhá na principu absorpce elektromagnetické energie a tím zde nastává zřetelné sníţení plastifikačních časů. 27
3.6.3.1 Vysokofrekvenční ohřev Vysokofrekvenční ohřev s mezním kmitočtem 100 MHz je někdy označován jako RF nebo RHF ohřev (Radiofrequency heating), tedy jako ohřev na rádiových frekvencích. Je pro něj typické, ţe vlastní prostor, ve kterém dochází k interakcím elektromagnetické energie s ohřívaným materiálem, tvoří dvě kovové desky technického kondenzátoru (Nasswettrová, 2008). Zdrojem vysokofrekvenční energie je vysokofrekvenční generátor, který obvykle pracuje v krátkovlnném frekvenčním rozsahu 2 aţ 30 MHz. V podstatě je to rádiový vysílač, vysokofrekvenční energie se však nevyzařuje do prostoru, který je součástí aplikačního zařízení, ale soustřeďuje se v pracovním kondenzátoru, který je součástí aplikačního zařízení. Kdyţ se pouţívá vysokofrekvenční energie soustředěná v dutině cívky, jde o indukční ohřev, který se uplatňuje při tepelném zpracování kovů. Mezi elektrodami pracovního kondenzátoru se elektricky nevodivý nebo polovodivý materiál vystavuje účinku vysokofrekvenčního elektrického pole za účelem tepelného zpracování, takţe aplikačním zařízením je např. sušárna, lis na výrobu dílců z vrstveného dřeva, různé druhy přípravků na montáţní lepení apod. Elektrody jsou tvarově i konstrukčně přizpůsobené konkrétní operaci. Dielektricky je moţné ohřívat prakticky všechny běţné izolanty i polovodiče, s výjimkou vakua, vzduchu a plynů. Dielektrické teplo v takovýchto látkách vzniká molekulárním třením, příčinou kterého je kmitavý pohyb elementárních elektrických dipólů, vyvolaný silovými účinky elektrického pole. Teplo se vyvíjí v celém ohřívaném objemu současně, takţe teplota materiálu stoupá o dost rychleji neţ při jiných druzích ohřevu a dosahuje maxima ve středu dílce. Z toho vyplývá moţnost rychlého ohřevu materiálu bez ohledu na jejich hloubku a nízkou tepelnou vodivost. Vzduch není pro VF proudy nepřekonatelnou překáţkou jako např. pro proudy s průmyslovou frekvencí 50 Hz, proto tepelně zpracovaný materiál se nemusí dotýkat elektrod. Vzduchové mezery však v kaţdém případě zhoršují podmínky ohřevu: kdyţ jsou velmi malé, zvyšují nebezpečí elektrických přeskoků, kdyţ jsou velké, sniţují účinnost ohřevu. Pouţívají se jen v takových případech, kde jsou technologicky nepostradatelné, nebo kde jich není moţno vyloučit (kontinuální sušárna a různé typy montáţních přípravků) (Adamča, 1968).
28
3.6.3.2 Mikrovlnný ohřev I v tomto případě vzniká teplo v důsledku dielektrických ztrát, ohřev se však vyznačuje i některými zvláštnostmi. Především je to moţnost zrychlení ohřevu bez nebezpečí poškození materiálu elektrickými přeskoky, coţ vyplývá z toho, ţe při velmi vysokých frekvencích je intenzita elektrického pole podstatně niţší. Dále se vysokofrekvenční
energie
nesoustřeďuje
elektrodami
jako
při
krátkovlnném
dielektrickém ohřevu, ale pomocí tzv. vlnovodů nebo dutinových rezonátorů. Zdrojem vysokofrekvenční energie je magnetron. t.j. speciální druh diody. Materiál se ohřívá ozařováním anebo přímo v dutinovém rezonátoru. Pronikavost mikrovln je omezená, ale podstatně vyšší jako pronikavost infračervených paprsků. Hloubka vniku při suchém dřevě je 50 aţ 80 mm, při obojstranném ozařování je dvojnásobná. Se stoupající vlhkostí dřeva pronikavost klesá (Adamča, 1968). 3.6.4 Plastifikace dřeva pomocí dielektrického ohřevu Klasický způsob zvyšování modifikovatelnosti dřeva normálním pařením je dosti zdlouhavý, pracný, nehygienický a vylučuje prakticky moţnost zavedení plynulé výroby. Technologicky náročnější, ale o dost rychlejší způsob je plastifikace dielektrického ohřevu. Rozdíl v rychlosti tepelného zpracování je zřejmý z následujícího porovnání: změkčení bukových dílců válcovitého tvaru s průměrem 25 aţ 30 mm je moţné dosáhnout asi za 4 minuty, normální paření vyţaduje 1 aţ 2 hodiny (Adamča, 1968).
3.7 Mikrovlnná technologie Z historického pohledu byla mikrovlnná technologie objevenana počátku 40. let v Anglii nauniverzitě v Birminghamu. První vyuţití této technologie se uskutečnilo během 2. světové války ve formě radaru, coţ sehrálo významnou roli v bitvě o Británii. V roce 1947 si všiml zaměstnanec americké firmy Raytheon (výrobce radaru), ţe se mu v blízkosti radaru roztavila teplem čokoláda. To ho přimělo k myšlence zkonstruovat mikrovlnnou troubu. První patent seobjevil v r. 1952 a první mikrovlnná trouba (zatím dosti primitivní) se objevila v r. 1961. Byla velká jako skříň a stála 5 000 dolarů. O rok později byla v New Yorku otevřena první restaurace, kde se podávala jídla připravená v mikrovlnné troubě. Pro domácnosti se mikrovlnné trouby začaly rozšiřovat aţ v 80. letech, v důsledku řešení japonské technologie sériové výroby magnetronů. Největšího uplatnění nalezly mikrovlny v komunikacích (radar, televize, mobilní telefony, satelitní vysílání atd.), dále při ohřevu a zpracování potravin (rozmrazování, pečení, ohřívání) 29
a při sušení různých materiálů (keramika, dřevo, léčiva ap.). V chemii se uplatnění mikrovln rozvíjelo pomalu a dosáhlo výraznějšího rozvoje aţ v posledních letech (Hájek). Mikrovlny patří podobně jako rádiové, infračervené a viditelné záření mezi neionizující záření. To znamená, ţe dokáţou elektrony v atomech jen rozkmitat, ale nedokáţí je vytrhnout a způsobit tak chemickou změnu v látkách. Z tohoto hlediska je působení mikrovln stejně neškodné, jako je neškodné teplo sálající z krbu. To však, samozřejmě, neznamená, ţe přílišným mnoţstvím takovéto energie se nemůţeme popálit. Mikrovlny mají dvě velmi uţitečné vlastnosti. V první řadě se odráţejí od kovových a jiných elektricky vodivých předmětů jako od zrcadla, coţ vyuţívají vojenské i civilní radary, ale i automatické otvírače dveří. Zároveň však dokáţí rozkmitat molekuly vody, cukru a tuků, čehoţ vyuţívá například mikrovlnná trouba (Kundracik). 3.7.1 Princip mikrovlnné technologie Mikrovlnné záření je elektromagnetické záření o frekvencích 300 MHz aţ 30 GHz. Toto rozpětí frekvencí odpovídá vlnovým délkám od 1 cm do 1 m. Ve formě vln se mikrovlny šíří do prostoru od zdroje. Obrázek 1. Vlnové délky a frekvence jednotlivých druhů záření (dostupné z WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetick%C3%A9_spektrum#mediaviewer/Soubo r:ElmgSpektrum.png)
Zdrojem můţe být vysokonapěťová elektronka tzv. magnetron. Do něj je přiváděn síťový proud přes transformátor a mikrovlny jsou vyzařovány anténami tzv. vlnovody k vyústění zařízení. Provedení a tvary antén jsou závislé na způsobu uţití. V tomto prostoru se mikrovlny odráţejí od kovového pláště a vytvářejí tak místně i časově proměnné prostorové pole. Po vloţení či přiloţení materiálu se pole deformuje v závislosti na jeho vlastnostech a objemu. Jediným prokázaným účinkem na biologické 30
materiály je účinek tepelný. Tento účinek mimo výkonu a frekvence mikrovln ovlivňuje sloţení materiálu, jeho fyzikální stav (obsah volné vody) a v zásadě i jeho struktura. Materiály obsahující volnou vodu např. potraviny, dřevo i organismy jsou schopny absorbovat energii mikrovln s následným zvýšením teploty. Tento jev nazýváme polární rotací neboli frikcí. Frikce je pozorovatelná právě u materiálů s dielektricky aktivními sloţkami, v našem případě molekuly vody. Elektricky neutrální molekuly vody mají bipolární charakter. V elektrickém poli se pak orientují podle polarity, pokud se polarita střídá. A to je případ mikrovlnného záření. Při vysokých frekvencích záření, tj. vysoké rychlosti střídání polarity a následně orientace molekul vody vzniká tepelná energie třením. To má za následek změnu skupenství, tj. vypařování volně vázané vody a na organismy vodu obsahující (sterilizace ohřevem) (Baničová). Obrázek 2. Přechod mikrovln v rámci různých prostředí (dostupné z www: http://ldf.mendelu.cz)
3.7.2 Mikrovlnný ohřev dřeva Zpravidla se uskutečňuje v pásmu frekvencí 300 MHz aţ 30 GHz. V běţné praxi se u mikrovlnné techniky na sušení řeziva pouţívá frekvenční pásmo 41 MHz aţ 40 GHz. Při kmitočtech kolem 915 MHz se hloubka vniku zvětšuje přibliţně dvaapůlkrát oproti kmitočtu 2,45 GHz. Ohřev probíhá v uzavřených prostorech (dutinových rezonátorech) nebo vlnovodech a vzniká v důsledku působení elektrické sloţky elektromagnetického pole. Působením této sloţky, vzhledem k malé vlnové délce, vzniká v uzavřených prostorech stojaté vlnění. Statické pole vzniká po odrazu vln od vodivých stěn rezonátoru. Elektromagnetické pole je po vniknutí do dřeva ve směru šíření tlumeno. Hloubka průniku vlnění z jedné strany desky při ohřevu dřeva o nízké vlhkosti je 50 aţ 80 mm. Působením vlnění ze dvou stran se hloubka průniku do dřeva zdvojnásobí. Aby 31
byl ohřev dřeva co nejrovnoměrnější, měl by se materiál při ozařování pohybovat nebo musí být pouţit větší počet generátorů mikrovlnného záření – magnetronů (Dejmal, 2004). 3.7.3 Vliv mikrovlnného ohřevu v průřezu Během mikrovlnného ohřevu dochází k rychlému vstřebání mikrovln a současně k rychlému zvyšování teploty hmoty v závislosti na obsahu vlhkosti. Vliv na rozloţení teploty v průřezu má anizotropie dřevní hmoty. Díky tomu, ţe mikrovlny teplotně ovlivňují molekuly vody, prostředí, ve kterém se nachází (dřevní hmota) je zahříváno pouze vedením od zahřátých molekul vody měnících se v horkou vodní páru. Z toho plyne, ţe teplota vody je vyšší neţ teplota samotné hmoty dřeva. Obecně u dřeva teplota v průřezu prvku narůstá od povrchu dřevní hmoty ke svému maximu, které se nachází jen několik milimetrů pod povrchem. V samotném průřezu je pak teplota srovnatelná s povrchovými hodnotami teplot. Naproti tomu u horkovzdušného ohřevu (vysušování) se maximální teploty nacházejí na povrchu a směrem do průřezu klesají.
Obrázek 3. Rozdělení teplot do hloubky
průřezu
prvku
při
horkovzdušném sušení (Baničová)
Obrázek 4. Rozdělení teplot do hloubky
průřezu
prvku
při
mikrovlnném sušení (Baničová)
32
Jednou z výhod je dosaţitelnost mikrovln do nepřístupných míst a ohřev hmoty v celém průřezu. Další výhodou je tzv. selektivní ohřev, tj. u vícesloţkových materiálů se ohřívá pouze sloţka absorbující mikrovlny (voda). Dále rychlost a menší energetická a finanční náročnost ve srovnání s klasickým horkovzdušným sušením. Nevýhodou je moţnost lokálního přehřátí v důsledku nehomogenity mikrovlnného pole i materiálu. Teoreticky můţe docházet k jakési koncentraci mikrovln v nejbliţším okolí kovových prvků menších neţ 12,2 cm (ocelové spojovací prostředky, zapomenuté staré hřeby, skoby a svorníky). K těmto situacím by mohlo dojít v průběhu neřízeného, velmi rychlého ohřevu, v závislosti na velikosti a míry zapuštění kovového prvku do dřeva (Baničová). 3.7.4 Konstrukce mikrovlnného zařízení Srdcem mikrovlnného zařízení je takzvaný magnetron, speciální elektronka, v níţ magnetická a elektrická pole působí na elektrony tak, aby produkovala záření v elektromagnetickém spektru okolo 2450 MHz (Biolek, 2006). Magnetron se pouţívá jako generátor vysokých výkonů a pracuje s vysokou účinností. Je reprezentantem velmi vysokofrekvenčních elektronek pracujících ve zkříţených polích. Na rozdíl od klystronů v něm dochází k interakci elektronů s vysokofrekvenčním polem v celém vnitřním prostoru. Základ magnetronu tvoří velmi silný permanentní magnet ve tvaru prstence. Tímto magnetickým prstencem je obklopena vakuová trubice s resonančními komorami, uvnitř které je z jedné strany ţhavící katoda a z druhé vlnovod, který přenáší mikrovlnné záření do poţadovaného směru (Vintr, 2009). Obrázek 5. Magnetron (dostupné z www: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/357510/magnetron)
33
Pro přenos energie z generátoru (magnetronu) do prostoru s ohřívaným předmětem nám slouţí takzvaný vlnovod. Termínem vlnovod většinou označujeme kovovou trubici, jejíţ příčné rozměry jsou srovnatelné s délkou vlny. Vnitřní stěny vlnovodu bývají upraveny tak, aby byly minimalizovány ztráty v kovu. Příčný profil vlnovodu má obvykle obdélníkový nebo kruhový tvar (Biolek, 2006). Pokud se v mikrovlnném poli vyskytuje materiál s nízkou nebo ţádnou absorpční schopností, mikrovlny se nemají kde pohltit, dochází k jejich zpětnému odrazu do magnetronu, coţ sniţuje jeho ţivotnost, případně hrozí jeho zničení (Hájek). Obrázek 6. Kruhový MV aplikátor pro kulatinu a řezivo na frekvenci 0,922 GHz (Torgovnikov, Vinden, 2009)
3.7.5 Plastifikace dřeva mikrovlnným ohřevem Plastifikace ligninu můţe probíhat pomocí chemikálií či pomocí různých způsobů ohřevu. Jedním z nejstarších způsobů tepelné plastifikace ligninu je paření dřeva. Mimo paření se dá k plastifikaci pouţít i vaření resp. jiné způsoby ohřevu například pomocí vysokofrekvenčního ohřevu. MV plastifikace obdobná s mechanismem hydrotermických způsobů plastifikace. Klíčovými prvky zůstává narušení příčných vazeb v BS vlivem navázání molekul vody a narušení ostatních vazeb LS matrice vlhkostí v součinnosti s teplem. Třetím základním
pilířem
je
přechod
hydrofobního
termoplastického
ligninu
do 34
viskoelastického aţ plastického stavu. Oproti hydrotermickým způsobům plastifikace přistupuje navíc jako částečný plastifikační činitel samotné MV záření. Probíhající polarizaci je moţné označit vzhledem k frekvenci změn elektromagnetického (EM) pole při MV ohřevu za kmitání polárních částic, coţ muţe vést k narušování vazeb v LS matrici. Vedle molekul vody kmitají i polární segmenty makromolekul základních polymeru dřeva. U těchto skupin většinou nedochází k narušení vazeb s řetězcem, popř. úniku ze dřeva, protoţe jsou vázány kovalentními vazbami. Jejich pevnost je mnohem vyšší neţ pevnost vodíkových můstků v případě molekul vody. Také frekvence EM záření není pro tyto skupiny narozdíl od vody ideální. Voda obsaţená v hranolcích také zajištuje svou velkou měrnou tepelnou kapacitou určitou setrvačnost plastifikačního účinku, která je z hlediska následného ohýbání nezbytná. V případě malé setrvačnosti plastifikačního účinku by proces ohýbání musel proběhnout za současného působení EM záření. Tomuto postupu se blíţí ohýbání v tvarových lisech při VF ohřevu (Makovíny, Zemiar, 2006). Ohřev dřeva jako dielektrika závisí na jeho dielektrických vlastnostech resp. na dielektrických vlastnostech jeho komponentů. Relativní permitivita suchého smrkového dřeva se pohybuje mezi 2 a 4,5 v závislosti na podílu jarního a letního dřeva v letokruhu. Ztrátový úhel je v rozsahu 0,018 a 0,025. Díky malým hodnotám dielektrických veličin se suché dřevo v poli mikrovlnného záření ohřívá velice pomalu. Relativní permitivita vody vázané se dle Torgovnikova (1993) pohybuje mezi 2 a 77. Voda volná má relativní permitivitu 77 při frekvenci 2450 MHz a teplotě 20 °C. Tudíţ se dá říct, ţe s rostoucím obsahem vody ve dřevě rostou jeho dielektrické parametry a dřevo se intenzivněji v poli elektromagnetického záření mikrovlnného pásma zahřívá (Merenda, 2009). Ohřev probíhá v uzavřených prostorech v tzv. dutinových rezonátorech. Rezonátor představuje prostor s nerovnoměrně rozloţenou hustotou energie. Mikrovlnný ohřev materiálu v prostoru dutinového systému je nerovnoměrný. Kaţdá změna uspořádání materiálu v prostoru můţe zdeformovat dané elektromagnetické pole natolik, ţe konečná teplota materiálu při stejném čase můţe mít velký rozptyl. Materiál se v průřezu jinak prohřívá při různých délkách a průřezech (Trávník, 2003). Plastifikačním médiem pro tuto technologii jsou teplo, vlhkost a elektromagnetické záření.
35
3.7.6 Parametry mikrovlnného ohřevu dřeva
Vlhkost Vlhkost materiálu se doporučuje kolem MH (≈ 30 %), popř. i vyšší (40 – 50 %). Mechanickým kmitáním za součinnosti vyvíjeného tepla při MV ohřevu dochází k porušení vodíkových můstků vázajících molekuly vody ve dřevě a tak k jejich úniku ze dřeva. Vlhkost dřeva při plastifikaci MV ohřevem má tedy tendenci se vţdy sniţovat, na rozdíl od vaření, kde je tomu přesně naopak a paření, během kterého se v podstatě vlhkost hranolků nemění. Proto je nutné mírnit rychlost vysychání hranolků během plastifikace (Brabec, 2010). Merenda (2009) ve své práci také uvádí, ţe voda má tendenci se při mikrovlnném ohřevu ze dřeva odpařovat. V počátku procesu je pokles vlhkosti zanedbatelný a stejný pro všechny počáteční vlhkosti. S delším procesem ohřevu dřevo začíná ztrácet svoji vlhkost v závislosti na intenzitě ohřevu. Víme, ţe čím víc dřevo obsahuje vody, tím více dokáţe absorbovat energie a v důsledku toho se rychleji ohřívá. Silnější ohřev způsobuje rychlejší úbytek vlhkosti. Obrázek 7. Úbytek vlhkosti dřeva v závislosti na čase mikrovlnného ohřevu a počáteční vlhkosti dřeva smrku ztepilého (Merenda, 2009)
36
Proti rychlému vysychání je dobré umisťovat hranolky nad vodní hladinu. Voda se zahřívá zároveň s plastifikovaným materiálem a intenzivně se odpařuje. Vytváří nám optimální podmínky pro plastifikaci. Pro urychlení můţe být voda ještě před plastifikací předehřívána na hodnotu okolo bodu varu. Jinou moţností je balení do nepropustné folie coţ zamezuje vodě odpařit se z hranolků do prostoru. Minimum vzduchu, které zůstává, je rychle nasycen párou a zbylý kondenzát opětovně hranolky zvlhčuje. Po plastifikaci bývá vlhkost vţdy niţší neţ na počátku před plastifikací. Konečná vlhkost je závislá především na síle elektromagnetického pole, vstupní vlhkosti, době plastifikace a reţimu ohřevu. V ideálním případě by se měla vlhkost po plastifikaci pohybovat těsně okolo meze hygroskopicity, tj. v rozmezí 25 aţ 30 %, coţ je ideální z pohledu následného zpracování (Brabec, 2012). Stupeň vysoušení je zohledňován mnoha faktory, proto není moţné jednoznačně určit optimální vlhkost materiálu před samotným úkonem. Makovíny, Zemiar (2006) udávají, ţe jako nejlepší stupeň vlhkosti pro plastifikaci mikrovlnnou technologií je rozmezí w= ~30 – 40 %.
Teplota Optimální teplotu plastifikace řídí termostat v mikrovlnném zařízení, který v průběhu zapíná a vypíná magnetrony a udrţuje teplotu asi 95 ± 5 °C. Při nepřetrţitém chodu by mohlo docházet k přehřívání povrchu. Tímto střídavým chodem se dosahuje vyrovnávání teplot povrchovým vrstev. Na počátku by se teplota měla pohybovat v rozmezí pokojových teplot asi 25 °C. Čas Doba plastifikace není jednoznačně určena, ale rozhodně je největší výhodou této technologie.Obvykle se pohybuje v řádech sekund aţ minut coţ je v porovnání s běţnými konvenčními způsoby aţ 7x kratší čas. Merenda (2009) ve své práci uvádí, ţe teplota plastifikace ligninu je při obsahu vlhkosti ve dřevě kolem w = 30 % 65 °C. Na tuto teplotu se dřevo ohřeje za 40 s. Po dobu ohřevu dojde k úbytku vlhkosti v rozmezí 2 – 4 hmotnostních procent. Z tohoto důvodu je třeba přidat stejné mnoţství vody do struktury dřeva ještě před započetím procesu. Výsledný obsah vlhkosti byl v rozmezí 30 – 35 % a čas se tímto prodlouţil na 45 s. Tento čas dostačuje k dosaţení teploty skelného přechodu ligninu 65 °C v celém průřezu materiálu. 37
Trebula (1997) uvádí, ţe materiál se nahřívá na povrch v podstatně krátkém čase (20 aţ 60 s). Plastičnosti se dosáhne do 3 aţ 4 minut. Se zvyšující se vlhkostí se zkracuje čas plastifikace a stoupá plastičnost dřeva. V tomto případě byl pouţitý vzorek buku. Stejně jako u běţných plastifikačních metod má mikrovlnná technologie vrchol, po které dochází k nadměrné plastifikaci a poklesu moţné deformace (Putna, 2010). Parametry mikrovlnného zařízení Ve světovém měřítku je povoleno hned několik průmyslových frekvencí. Nejčastěji uváděná celosvětová frekvence má hodnotu 2450 MHz. Vybrána byla z důvodu nejlepší interakce s vodou jakoţto plastifikačním médiem. Druhou často pouţívanou frekvencí je hodnota 915 MHz. Následující tabulka znázorňuje vybrané oblasti a pouţívaná pásma mikrovlnného vlnění. Tab. 6. Přidělení kmitočtů pro účely průmyslové, lékařské a vědecké (ISM) v rozsahu 433,92 MHz aţ 40 GHz Frekvence (MHz)
Tolerance ±
Povolená oblast
433,92
0-2%
Rakousko, Nizozemsko, Portugalsko, Německo, Švýcarsko
896
10 MHz
Velká Británie
915
13 MHz
Severní a Jiţní Amerika Albánie, Bulharsko, Maďarsko, Rumunsko,
2375
50 MHz
2450
50 MHz
3390
0-6%
Nizozemsko
5800
75 MHz
celosvětově
6780
0-6%
Nizozemsko
24150
125 MHz
celosvětově
Česká republika, Slovensko, Rusko Celosvětově kromě případů, kdy je pouţita frekvence
40680
2375 MHz
Velká Británie
38
Výkon magnetronu produkující mikrovlnné energie se pohybuje od jednotek wattů aţ po stovky kilowatt. Torgovnikov (2005) pro své výzkumy navrhnul zařízení s maximálním výkonem aţ 300 kW a kapacitou zpracované suroviny 10 000 m3 / rok. Magnetrony s výkonem asi do 2 kW jsou chlazeny vzduchem, magnetrony s vyššími výkony se chladí vodou, coţ klade mimo jiné také vyšší nároky na řídící techniku. Poţadavek vyššího výkonu se obvykle řeší paralelním řazením magnetronů o výkonu 1,5 kW, které jsou z cenových důvodů nejvýhodnější. Není výjimkou paralelní zapojení 100 i více magnetronů. Technická ţivotnost magnetronů je 6 000 aţ 8 000 provozních hodin (Černý, 2005). Pro běţné, méně náročné průmyslové aplikace jsou pouţity magnetrony, které mají stálý příkon (spínaný zdroj). Pro průmyslové aplikace se pouţívají impulzní magnetrony (kontinuálně řízené magnetrony (Nasswettrová, 2008). Dle výkonu spotřebovávají zařízení jisté mnoţství elektrické energie. Například Torgovnikov (2005) vyuţívá pro své modifikační zařízení dřeva spotřebu elektrické energie v rozmezí 80 aţ 300 kWh.m-3. Co se týká ceny mikrovlnného zařízení, je závislá od výrobce, výkonu či případně vybraného příslušenství. Obecně se jedná o cenu v řádu několika statisíců korun. Mikrovlnné zařízení nepatří mezi levné technologie, ale vynahrazuje to svojí výkonností a šetrností k plastifikovanému materiálu. 3.7.7 Výhody a nevýhody mikrovlnného ohřevu Za prioritní výhodu MV ohřevu povaţujeme především mnohonásobně lepší regulace, ve srovnání s ostatními dostupnými způsoby. V jeho případě totiţ probíhá regulace neboli schopnost ovlivňovat samotný proces, rovnoměrně v celém jeho objemu. Je jedinou průmyslově široce aplikovanou cestou tzv. objemového ohřevu: nazývanou v průmyslové praxi „coldvessel“ – princip studeného kelímku“. K dalším výhodám lze přiřadit rychlost a dokonalost prohřátí, nicméně za nejpodstatnější povaţujme zejména absorpci téměř veškeré MV energie v ohřívaném materiálu. Tuto schopnost nazýváme vysokou energetickou účinností, která je v procesu sušení velmi efektivní, zejména díky skutečnosti, ze které vyplývá, ţe aţ 90 % vstupující mikrovlnné energie se přemění na teplo (Romill, 2005). Mikrovlnná technologie je bezkontaktní, coţ můţe znamenat výhodu pro různé vakuové procesy. Stejně tak samoregulační princip představuje obrovskou výhodu, 39
zejména z pohledu zabránění vzniku povrchových trhlin. Mezi další výhody lze přiřadit určitou inovací ve zpracování materiálu, tím je myšleno umoţnění chemických a fyzikálních procesů, které jsou jinými způsoby obtíţně dosaţitelné. Představuje taky podstatnou časovou úsporu a lepší hygienu pracovního prostředí. V neposlední řadě ještě zmiňme výhodu v podobě úspory energie při vysoké kvalitě vysušeného materiálu atd. (Nasswettrová, 2006). Jako má mikrovlnný ohřev své výhody, má i určité nevýhody. Zásadní nevýhodou je zřejmě pořizovací cena. Zařízení je technologicky vyspělejší neţ jiné druhy ohřevu a to se odráţí v jeho ceně. Cena se odvíjí v ohledu na poţadovaný výkon a velikost stroje. Tyto sušičky jsou menší konstrukce čímţ, jsou vhodné spíše pro malokapacitní provozy. S vyspělejší technologií ne vţdy přichází usnadnění provozu, u mikrovlnného sušení musíme řádně naplánovat celý sušící program, vyplývá z toho relativně náročnější kontrola procesu sušení. Lokální přehřívání materiálu (tzv. „hot spots“) je další nevýhodou mikrovlnné technologie. Způsobuje to nehomogenita mikrovlnného pole i materiálu. Do zařízení nesmí vstupovat řezivo, které obsahuje kovové části. V tomto případě se kovové předměty zahřívají rychleji neţ okolní materiál. Tyto části se začnou ţhavit a od nich se v jejich okolí začne rychleji odpařovat voda. 3.7.8 Hygiena pracovního prostředí a ekologie Moderní vysokofrekvenční ohřevné technologie nejsou zdrojem prachu, hluku, vibrací, pachu ani záření. Tyto metody nezpůsobují ţádné zvýšení vlhkosti a neznečišťují ovzduší. Z tohoto hlediska neohroţují lidské zdraví. Telekomunikační normy upravují elektromagnetický výkon několikanásobně pod úroveň hygienických norem. Mobilní telefon vyzařuje vyšší výkon neţ velké průmyslové linky. Z pohledu ekologie zdůrazněme, ţe MV ohřev vyuţívá elektromagnetické pole mikrovlnného pásma na fyzikální přeměnu molekul vody ve vodní páru. Jediným odpadem je tedy vodní pára a ta jak známo nemá ţádný dopad na ţivotní prostředí. Jednoduše řečeno není třeba fosilních paliv jako v případě jiných druhů ohřevu, které by naše ţivotní prostředí zatěţovaly. Ve své podstatě je to způsob ekologický (Nasswettrová, 2006).
40
3.8 Ostatní využití mikrovlnné technologie v dřevařském průmyslu Mikrovlnná technologie jiţ v dnešní době zasáhla snad do kaţdého průmyslového odvětví, dřevozpracující průmysl nevyjímaje. V tomto odvětví hlavní vyuţití nachází především při procesu ohřevu dřevní hmoty. Mimo plastifikace je proces hojně vyhledávaný pro metodu mikrovlnného sušení, pro svoji šetrnost vůči dřevěnému materiálu. Schopnost regulace a hloubka vniku elektromagnetického záření umoţňuje zpracovávat i náchylnější dřeviny běţně trpící výsušnými trhlinami a kolapsem dřeva (např. DB). Tato technologie umoţňuje tyto neduhy částečně odstranit. Mikrovlnná modifikace rozvíjí řadu dalších průmyslových aplikací. Vyuţití nachází při ošetření dřeva (sterilizaci). V důsledku absorbované energie se vlhké dřevo, veškerý hmyz a houby prohřívají a po překročení kritické hranice přeţití hynou. V neposlední řadě se hojně vyuţívá v oboru nábytkářství, kde se uplatňuje pro ohýbání nábytkových dílců, lepení či vytvrzování nátěrových hmot a výrobu kompozitních materiálů.
3.9 Nové materiály na bázi dřeva s využitím mikrovlnné technologie Na základě výzkumů vznikly za pouţití mikrovlnné modifikace nové materiály na bázi dřeva. Jedná se o materiály Torgvin a Vintorg. Jejími objeviteli jsou Grigori Torgovnikov a Peter Vinden, profesoři z australské univerzity, podle kterých jsou pojmenovány. Torgvin je meziproduktem při výrobě dřevo - pryskyřičného výrobku Vintorg. Jeho specifikem je velké mnoţství dutin v radiálním a podélném směru. Můţe být vyroben s modifikovanými nebo nemodifikovanými zónami, tzn., ţe se ozáří pouze vybrané oblasti materiálu. Vysoká mikrovlnná modifikace razantně mění strukturu dřeva a mění i fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva (Torgovnikov, Vinden, 2009). Přednosti materiálu Torgvin jsou redukovaná hustota, tepelná vodivost, bobtnání a sesychání, zlepšená propustnost a akustické vlastnosti. Hustota dřeva je jednou z nejdůleţitějších vlastností dřeva. Hustota se v průběhu mikrovlnné aplikace sniţuje v závislosti na druhu a stupni modifikace (Torgovnikov, Vinden, 2009).
41
Vintorg je vyroben ze dřeva modifikovaného mikrovlnami. Tento materiál je poté impregnován pryskyřicí a pomocí lisu stlačen do svého původního rozměru, vysuší se a vykazuje vynikající vlastnosti podobné deskám LVL (laminated veneer lumber). Jeho přední vlastností je vysoká pevnost. Dále můţeme zmínit rozměrovou stálost, levnou výrobu a jednoduchou technologii ve srovnání s LVL (Willert - Porada, 2006).
42
4. Výsledky Po prozkoumání jednotlivých experimentů lze vyčíst doporučené hodnoty pro mikrovlnnou plastifikaci. Propastné rozdíly mezi jednotlivými autory nehledejme. Všichni se víceméně shodují na stejných hodnotách. Jak uvádí tabulka 7., vlhkost se při plastifikaci pohybuje okolo meze hygroskopicity. V hodnotách teploty a času potřebných k plastifikaci se autoři také výrazně neliší, všichni uvádějí teplotu těsně pod 100 °C a čas pro plastifikaci materiálu v řádech několika minut. Tab. 7.Plastifikační prostředí MV Plastifikační prostředímikrovlnného ohřevu Vlhkost
mez hygroskopicity 30 %
Teplota plastifikace
95 ± 5 °C
Čas ohřevu povrchu
30 – 60 s
Čas pro plastifikaci
3 – 4 min
Hodnoty byly zjišťovány ve zkušebních podmínkách. Pro průmyslové vyuţití mikrovlnné technologie je zapotřebí individuálního konstrukčního řešení, které zohledňuje ohřevný proces. Kaţdá plastifikace je podřízena specifickým parametrům. Pro zavedení mikrovlnné plastifikace hovoří stále více výhod. Kvůli své finanční náročnosti při pořizování si však tuto technologii nemohou pořídit všechny provozy. Na rozdíl od jiných způsobů ohřevu je moţné dosáhnout uvnitř materiálu vyšší teploty neţ na jeho povrchu. Výsledkem je vysoká kvalita výrobku. Tab.8. Srovnání mikrovlnné plastifikace Výhody mikrovlnné plastifikace
Nevýhody mikrovlnné plastifikace
rychlost ohřevu a prohřátí materiálu
investiční náročnost
regulace ohřevu
moţnost lokálního přehřátí
energetická účinnost aţ 90 %
malokapacitní konstrukce zařízení
kvalita materiálu bezkontaktní technologie ekologické dopady
43
Ve většině případů je pro mikrovlnnou plastifikaci v našich podmínkách pouţívána hodnota frekvence 2450 MHz. V laboratorních podmínkách se experimentuje i s jinými frekvencemi, u kterých je zkoumán vliv na kvalitu výsledné dřevní suroviny. Po stránce ekologické je tato metoda nejšetrnější k ţivotnímu prostředí i k obsluze stroje. Technologie vyuţívá ohřevu bez spalovacího procesu, coţ sniţuje dopad na ţivotní prostředí a výrazně se zvyšuje její bezpečnost. Elektromagnetické záření se jeví jako perspektivní způsob plastifikace. V mnohých případech kryje nedostatky ostatních způsobů plastifikace. Technologie plná výhod je však stále ve fázi optimalizace pro větší průmyslovou aplikaci.
44
5. Diskuse Popisovaná technologie jistě představuje v mnoha ohledech revoluční metodu zpracování dřeva, které je rychlé a kvalitní. Vyuţití většiny výhod v praxi brání jiný omezující faktor. Kaţdá nová technologie tohoto významu je značně finančně náročná na pořízení, kaţdý vynálezce či výrobce si chce utrhnout kus svého podílu, coţ je prozatím jedním z limitujících faktorů. Jako nedestruktivní metodou plastifikace se jí neustále zabývají odborná pracoviště po celém světě. Snaţí se vyvinout stále nové postupy pro začlenění této technologie do průmyslu. Autoři experimentů svými pokusy jednoznačně potvrzují, ţe plastifikace s pomocí mikrovln je několikanásobně rychlejší a tím i energeticky méně náročná, neţli konvenční způsoby ohřevu. Jak se bude tato technologie stále vyvíjet a zlepšovat, mohlo by se postupem času k této metodě přiklánět čím dál více výrobců. Je zřejmé, ţe vyšší energetická spotřeba při běţné konvenční plastifikaci znamená vyšší náklady a s nimi spjatou vyšší výslednou cenu. Novou technologii by ocenili jak zákazníci, tak i firmy, které se v době krize snaţí stlačit náklady na provoz a výslednou cenu výrobku na co nejniţší úroveň. Technologii povaţuji za velice účinnou, pro průmysl do budoucna nepostradatelnou a perspektivní. V dnešní době, kdy je prioritou vysoká rychlost v dostatečné kvalitě se plastifikace mikrovlnami osvědčuje. Její výhody jsou nepřehlédnutelné. Prohřátí materiálu v celém průřezu je velice rychlé, spotřeba energie klesá a kvalita roste. Neméně významný je dopad na ţivotní prostředí, ke kterému je tato technologie nakloněna. Z výroby neunikají ţádné kontaminované látky, ale prakticky jen odpařovaná voda. Z pohledu vlastností je kaţdý druh dřeva originálem, ke kterému je nutno přistupovat jednotlivě. Samozřejmě jsou tu i podobnosti, převáţně u dřevin, které rostou ve stejných oblastech.Pro cizokrajné dřeviny budou platit obdobné, ne však stejné parametry. Po bliţším seznámení jsem došel k závěru, ţe bychom se před touto technologií neměli otáčet zády a dále hledat jiná její konstrukční řešení. Se zvyšující se poptávkou po kvalitních produktech můţeme předpokládat její čím dál větší rozšiřování napříč dřevozpracujícím průmyslem.
45
6. Závěr Práce je zaměřena na zhodnocení výhod a nevýhod při plastifikaci mikrovlnným zářením. Při soustřeďování informací z odborných publikací vyplývají obdobné závěry. Asi největší devizou plastifikace mikrovlnnou technologií je čas. Čas, který je zapotřebí k prohřátí materiálu se v porovnání s běţným konvenčním způsobemsniţuje. Dřevo má tendenci při ohřevu mikrovlnami sniţovat vlhkost, na rozdíl od vaření kde je tomu právě naopak. Plastifikovaný materiál se doporučuje umístit nad vodní hladinu. Voda se v plastifikačním zařízení intenzivně odpařuje a vytvoří nám tak podmínky pro vyšší RVD. Autoři se v čase plastifikace téměř shodují. Plastifikace probíhá v řádech sekund aţ minut. Jejich časy se mohou lišit díky rozdílným vstupním podmínkám jako je počáteční vlhkost, teplota nebo velikost vzorku. Tento proces plastifikace má mnohem lepší moţnosti regulace. Tam kde konvenční způsoby teprve začínají dosahovat potřebných hodnot ohřevu, mikrovlnný způsob se nachází jiţ v oblasti neţádoucího přehřátí. Díky dokonalému pohlcení téměř veškeré MV energie povaţujeme metodu za energeticky účinnou. Proto za zmínku stojí i úspora energie v závislosti na vysoké kvalitě vysušeného materiálu. Co se týká hygienické stránky je tato metoda mnohem šetrnější a hodnoty vysoko převyšují běţné spalovací způsoby. K výhodám neodmyslitelně patří i nevýhody, ty se nevyhýbají prakticky ţádné technologii. Nevýhody způsobují takzvaná lokální přehřátí materiálu, ke kterému dochází v důsledku nehomogenity mikrovlnného pole. Tato nevýhoda má jednoduché řešení a tím je přidání dalších generátorů mikrovlnného záření, které pole upraví. Další moţností je pravidelné otáčení materiálu např. otočným talířem. Jako další nevýhody je nutné uvést dosavadní malé kapacity zařízení a limitní je zejména pouţití pouze pro látky polárního charakteru. Dohody o elektromagnetické kompatibilitě jsou odvozeny od mezinárodních směrnic. Z důvodu zdravotní bezpečnosti je technologie zcela bezpečná, jelikoţ povolený rozptyl v pásmu 2450 MHz je 5 mW/cm2. To je mnohonásobně méně neţ hodnota jakou vydává, například mobilní telefon s výkonem 2 W. Toto tvrzení platí, pro všesměrové vyzařování do vzdálenosti 5 cm od antény. Dalo by se tvrdit, ţe práce s telefonem, který je v bezprostřední blízkosti hlavy, je nebezpečnější pro lidské zdraví, neţ právě práce s mikrovlnným zařízením pro ohřev dřeva. MV ohřev je v podstatě ekologický. Vyuţívá se zde mikrovln pro přeměnu molekul vody na vodní páru. Odpad nám tedy tvoří odpařená voda, která nemá ţádný fatální dopad na ţivotní prostředí.
46
7. Summary This bachelor thesis evaluates thea dvantages and disadvantages of microwave plastification. Information in technical publications give similar conclusions. Arguably the biggest plus of microwave plastification is its duration. Time required to make the material warm is lower when compared to conventional technique. Humidity tends to move down wards during microwave heating, in contrast to boiling. It is recommended to position the plastified materiál above water surface. Water intensively vaporizes in the plastification equipment. This creates conditions for a higher RVD. Different authors record almost the same plastification time. Plastification lasts from seconds to minutes. Times may vary based on differentinitial conditions, such as initial moistness, temperature or sample size. This proces is also much easily regulated. When conventional methods start to reach the values required for heating, microwave technique is already in the stage of undesirable over heating. Energy efficiency is sustained thanks to perfect MW energy absorption. That is the reason why energy savings depending on high quality of the dry materiál have to be mentioned. This method is also much more environment - friendly and the values recorded highly exceed common way sofcom bustion. However, every technology has its disadvantages as well. Local material overheating, caused by the fact that the microwave field is not homogeneous, is one of them. A simple solution to this problém is to raise the number of microwave heating generators and adjust the field. It is also possible to rotate the materiál using a revolving plate. Other disadvantages include low equipment capacity. This method can be used only for polar materials. Electromagnetic compatibility conventions are inferred from international directives. Technology is completely safe for human health, beacuse of the following allowed range: 5mW/cm2 in 2450MHz frequency band. This value is incomparably lower than e.g. radition of a mobile phone (applies to omni directional radition within 5cm around the antenna). We could say that working with a mobile phone around your head is much more harm ful for human health than working with a microwave equipment designed for wood heating. MW heating is basically environmental. The wood gets warm using microwaves. Waste is produced in form of vaporized water ,which has no effect on the environment.
47
8. Přehled použité literatury ADAMČA, M. Dielektrický ohrev v drevopriemysle. 1.vyd. Bratislava: Alfa, 1968, 103 s. BANIČOVÁ, D. Vliv mikrovlnného ohřevu na rozdělení povrchových teplot [online]. [cit. 2012-10-15]. Dostupný z WWW: http://www.fce.vutbr.cz/veda/dk2004texty/pdf/01_Pozemni%20stavitelstvi/1_02_Konst rukce%20pozemnich%20staveb/Banicova_Dita.pdf BIOLEK, M. Vývoj a konstrukce modelového zařízení mikrovlnné jednotky. Zlín 2006. Diplomová práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta technologická, Ústav výrobního inţenýrství. BRABEC, M. Způsoby plastifikace dřeva z pohledu výroby ohýbaného nábytku. Brno 2010. Bakalářská práce. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Fakulta lesnická a dřevařská, Ústav nauky o dřevě. BRABEC, M. Plastifikace a tvarování dřevěných dílců. Brno 2012. Diplomová práce. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Fakulta lesnická a dřevařská, Ústav nauky o dřevě. ČERNÝ, Václav. Elektrický ohřev mikrovlnný: 7. Elektro: Odborný časopis pro elektrotechniku [online]. 2005, c. 05, s. 56 [cit. 2014-04-19]. ISSN 1210-0889. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=26310 DEJMAL, A. Základy hydrotermické úpravy a ochrany dřeva. 1.vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 1995, 192 s. ISBN 80-7157-163-6. DEJMAL, A. Sušení dřeva. Učební texty pro posluchače LDF. MZLU Brno 2004. 89s. HÁJEK, M. Mikrovlny v akci [online]. Praha. Ústav chemických procesů AV ČR. [cit. 2013-01-28]. Dostupný z WWW: http://golem.fjfi.cvut.cz:5001/Diagnostics/Basic/Interferometry/instructions/Mikrovlny %20v%20akci.pdf HORÁČEK, P. Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva I. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 1998, 124 s. ISBN 80-7157-347-7. HORÁČEK, P. Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva I. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. 124s. HORÁČEK, P. Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva I. 2. vyd. /. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2008, 124 s. ISBN 978-80-7375-169-2.
48
KARTOUSEK, J. Studie rozložení teplotních polí v dielektricky ohřívaných kaučucích. Zlín 2008. Diplomová práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta technologická, Ústav výrobního inţenýrství. KUNDRACIK, F. Prečo je v mikrovlnke teplo [online]. [cit. 2012-11-13]. Dostupný z WWW: http://www.uniba.sk/fileadmin/user_upload/editors/subory/studium/duk/DUK_2004_3_ Kundracik.pdf MAKOVÍNY, I., ZEMIAR, J. Mikrovlnné zariadenie a technologia plastifikácie dreva mikrovlnným ohrevom. 1. vyd. Zvolen: Vydavateľstvo TU vo Zvolene, 2006. 41 s. ISBN 978-80-228-1707-3. MAZÁNEK, M., PECHAČ, P., VRBA, J., Základy antén, šíření vln a mikrovlnné techniky, Skriptum FEL ČVUT v Praze, 2008 MERENDA, L.Lisování smrkového dřeva v transverzálním směru a modifikace jeho materiálových vlastností pomocí dielektrického ohřevu a vysoké teploty. Brno 2009. Disertační práce. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Fakulta lesnická a dřevařská, Ústav nauky o dřevě. NASSWETTROVÁ, A. Vliv vysokofrekvenční elektromagnetické energie mikrovlnného pásma na vybrané fyzikální vlastnosti dřeva uplatňované při hydrotermické úpravě dřeva sušením. Brno 2006. Bakalářská práce. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Fakulta lesnická a dřevařská, Ústav nauky o dřevě. NASSWETTROVÁ, A. Analýza přeměny mikroskopické struktury a fyzikálních procesů vybraných dřevin, vlivem vysokofrekvenční elektromagnetické energie mikrovlnného pásma. Brno 2008. Diplomová práce. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Fakulta lesnická a dřevařská, Ústav nauky o dřevě. POŢGAJ, A. a kol. Štruktúra a vlastnosti dreva. 2.vyd. Príroda Bratislava, 1997, 488 s. ISBN 80-07-00960-4. PUTNA, O. Metody plastifikace, tváření a ohýbání dřeva. Brno 2010. Bakalářská práce. Mendelova univerzita v Brně, Fakulta lesnická a dřevařská, Ústav nauky o dřevě. ROMILL spol, s.r.o.: Firemní literatura a prezentace – kolektiv autorů. Brno 2005 STIVÍN, J. Vysokofrekvenční ohřev v průmyslu Díl II.: Dielektrický ohřev. 1.vyd. Praha: SNTL, 1955, 432 s. ŠLEZINGEROVÁ, J., GANDELOVÁ, L.Stavba dřeva. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2002, 187 s. ISBN 80-7157-636-0.
49
TORGOVNIKOV, G., 1993: Dielectric properties of wood and wood-based materials. Berlin: Springer-Verlag, 196 s. ISBN 3-540-55394-0 TORGOVNIKOV , G., VINDEN, P. New equipment for microwave wood modification [online]. 2005 [cit. 3-5-2014] Dostupný z WWW: www.freewebs.com/torgovnikov/Files/2005.doc TORGOVNIKOV , G., VINDEN, P. High-intensity microwave wood modification fo rincreasing
permeability.
Forest
product
journal. [online]. 2009 [cit. 6-4-2014]
Dostupný z WWW: http://www.microwavewoodprocessing.com/Files/High%20intensity%20MW%20wood %20modification.pdf TRÁVNÍK, A. Výroba dřevěného nábytku. 2., přeprac. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2003, 198 s. ISBN 80-7157-653-0. TRÁVNÍK, A., SVOBODA, J. Technologické procesy výroby nábytku. 1. vyd. Brno: Ediční středisko MZLU v Brně, 2007. 180 s. ISBN 978-80-7375-056-5. TREBULA, P. Hydrotermická úprava a ochrana dreva : část Hydrotermická úprava dreva. 1. vyd. Zvolen: Vysoká škola lesnícka a drevárska, 1989, 301 s. ISBN 80-2280054-6. TREBULA, P., KLEMENT I. Sušenie a hydrotermická úprava dreva: Návody na cvičenia. 1.vyd. Zvolen, 1997, 205 s. ISBN 80-228-0727-3. VINTR, J. Konstrukční řešení násobného vlnovodu mikrovlnné komory. Zlín 2009. Diplomová práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta technologická, Ústav výrobního inţenýrství. WILLERT-PORADA, M. Advances in Microwave and Radio Frequency Processing [online]. 2006, [cit. 18-3-2014] Dostupný z WWW: http://books.google.cz/books/about/Advances_in_Microwave_and_Radio_Frequenc.ht ml?id=HPKtM1FbywsC&redir_esc=y
50
