Tworzywa sztuczne i drewno - ZIMO

Tworzywa sztuczne
Budowa i typy polimerów
1. Pojęcia podstawowe
Tworzywa sztuczne 1 – są niejednoznaczną, umowną nazwą materiałów, których
najistotniejszymi składnikami są polimery. Poza tym zawierają one składniki dodatkowe
(środki pomocnicze). Zadaniem tych składników jest nadanie tworzywom sztucznym
wymaganych właściwości uŜytkowych i przetwórczych.
Polimery to substancje złoŜone z wielkich cząstek (makrocząsteczek) składające się z
powtarzających (choć niekoniecznie identycznych), połączonych ze sobą w długie łańcuchy
elementów. Najmniejszym elementem (jednostką monomeryczną, jednostką podstawową) jest
mer. Zawiera on taką samą liczbę
i rodzaj atomów jak monomer uŜyty do wytwarzania polimeru, z wyjątkiem atomów
odczepionych, np. podczas polimeryzacji, od cząstki monomeru zwykle róŜni się brakiem
jednego podwójnego wiązania między atomami węgla lub teŜ innym układem atomów.
... – A – A – A – A – A – A – A – A – A – ...
polimer
mer
Rys. 1. Schemat budowy polimeru
Monomery to związki chemiczne o małej masie cząsteczkowej, zdolne do wielokrotnej
reakcji z identycznymi lub innymi cząstkami dzięki obecności w nich reaktywnych ośrodków,
takich jak wiązania nienasycone, reaktywne grupy chemiczne lub nietrwały pierścień
monomeru. Otrzymywanie syntetycznych związków wielkocząsteczkowych polega na
łączeniu się między sobą cząstek monomerów z wytworzeniem makrocząsteczek polimeru –
rys. 2.
Rys. 2. Polimeryzacja cząsteczek etylenu z wytworzeniem makrocząteczek polietylenu
Podstawowymi źródłami surowców do otrzymywania monomerów są: ropa naftowa, gaz
ziemny, węgiel kamienny.
Właściwości monomerów i polimerów są zupełnie róŜne, np.: elastyczność, plastyczność,
wytrzymałość mechaniczna itp. Jest to spowodowane odmiennymi wartościami masy
1
Nazewnictwo wg PN-74/C-89/03 (Technologia tworzyw sztucznych) zamiast nazwy „tworzywa sztuczne” stosuje się
określenie „tworzywa wielkocząsteczkowe”.

cząsteczkowej polimerów i monomerów. W przypadku polimerów pojęcie to nie jest
jednoznaczne jak w monomerach. Polimery bowiem stanowią mieszaninę makrocząsteczek o
róŜnej wielkości i nie mają ściśle określonych właściwości fizykochemicznych. Zjawisko to
określa się jako polidyspersję polimerów. W odniesieniu do polimerów pojęcie masy
cząsteczkowej powinno być zastąpione pojęciem średniej masy cząsteczkowej oraz krzywą
jej rozkładu – rys. 3.
Zawartość danej frakcji [%]
Masa cząsteczkowa
Rys. 3. Krzywe rozkładu masy cząsteczkowej polimerów;
1 – o małym stopniu polidyspersji, 2 – o duŜym stopniu polidyspersji
Reakcje chemiczne otrzymywania polimerów z monomerów są nazywane zwyczajowo
polireakcjami.
Polimer zbudowany z jednego rodzaju jednostek powtarzalnych (merów) jest równieŜ
nazywany homopolimerem.
Szczególnym przypadkiem polireakcji jest kopolimeryzacja, czyli łączna polimeryzacja
mieszaniny co najmniej dwóch róŜnych monomerów z wytworzeniem makrocząsteczek
zawierających mery obydwu rodzajów, tzn. kopolimeru. Kopolimer, w którego skład
wchodzą dwie róŜne jednostki strukturalne (umownie oznaczone A i B) moŜe mieć łańcuchy
zbudowane w róŜny sposób. Na rysunku 4 przedstawiono schematycznie budowę
makrocząsteczki kopolimerów.
A A B B A B A A A B B A B A B A A B B A B A B B
A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B
B B B B B A A A A A B B B B B A A A A A B B B B
nieregularna
regularna
blokowa
A A A A A A A A A A A A
szczepiona
B B B B B B B
B B B B
B B B
B B B B

Rys. 4. Budowa makrocząsteczki kopolimerów
Kopolimer, w którego skład wchodzą trzy róŜne mery, nazywany jest terpolimerem.
RozróŜnia się trzy podstawowe typy polireakcji: polimeryzację, polikondensację i
poliaddycję.
Polimeryzacja jest procesem łączenia się wielu cząstek monomeru, któremu nie towarzyszy
wydzielanie małocząsteczkowych produktów ubocznych. Proces ten przebiega bez zmian
składu chemicznego substancji reagujących, a powstający polimer róŜni się od monomeru
tylko wielkością cząsteczki.
Prowadzone są powszechnie cztery metody prowadzenia polimeryzacji: w masie
(polimeryzacja blokowa), polimeryzacja perełkowa, emulsyjna i w roztworze.
Typowym przykładem tej reakcji jest polimeryzacja etylenu:
nCH 2 = CH 2 → ... CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – ...
etylen
polietylen
Polikondensacja (polimeryzacja kondensacyjna – stopniowa) polega na łączeniu się wielu
cząsteczek monomerów z jednoczesnym wydzieleniem prostego związku
małocząsteczkowego, np. wody, chlorowodoru – jako ubocznego produktu reakcji.
Chemiczny skład polimeru powstającego w wyniku tego procesu nie jest identyczny ze
składem monomeru. Polikondensację moŜna prowadzić: w stopie, w roztworze, na granicy
faz.
Typowym przykładem polikondensacji jest reakcja tworzenia peptydów z aminokwasów:
O
H O H C C O
n N–R–C → N–R N–R N–R–C .... + (n –1)H 2 O
H OH H OH
H H
O
Poliaddycja (polimeryzacja addycyjna – łańcuchowa) jest procesem łączenia się cząsteczek
monomeru wskutek przemieszczania (przeskoku) ruchliwego atomu wodoru. Powoduje to
powstanie reaktywnych ośrodków w monomerze
i umoŜliwia łączenie się małocząsteczkowych produktów ubocznych i dlatego, podobnie jak
w wyniku polimeryzacji, powstały polimer ma taki sam skład chemiczny co reagenty.
Typowym przykładem poliaddycji jest reakcja otrzymywania tworzyw poliuretanowych
i epoksydowych.
2. Struktura makrocząsteczek
ZaleŜnie od rodzaju reagujących monomerów i warunków reakcji otrzymuje się polimery:
− o budowie liniowej,
− o łańcuchu rozgałęzionym,
− przestrzennie usieciowane.
Polimery liniowe powstają w wyniku polimeryzacji monomerów z jednym wiązaniem
podwójnym, bądź polikondensacji albo poliaddycji monomerów dwufunkcyjnych.
Strukturę liniową lub częściowo tylko rozgałęzioną mają polimery termoplastyczne, jak np.:
poliolefiny, poli(chlorek winylu), polistyren, poliamidy – rys. 5a.

)
a)
a) struktura liniowa
b) struktura rozgałęziona
c)
c) struktura przestrzennie
usieciowana
Rys. 5. Schemat budowy róŜnych polimerów
W wyniku polimeryzacji monomerów z więcej niŜ jednym wiązaniem podwójnym, bądź
polikondensacji lub poliaddycji monomerów trój- albo wielofunkcyjnych, powstają
początkowo polimery o łańcuchach rozgałęzionych
z grupami funkcyjnymi na końcach rozgałęzień. Dalsze etapy reakcji prowadzą do
wytworzenia polimerów usieciowanych (rys. 5c). Produkty polimeryzacji
o małej liczbie usieciowań odznaczają się elastycznością (elastomery). Zwiększenie stopnia
usieciowania prowadzi do otrzymania sztywnych i nietopliwych materiałów (duroplasty).
Struktura przestrzennie usieciowana powstaje pod wpływem działania podwyŜszonej
temperatury (polimery termoutwardzalne), lub utwardzaczy (polimery chemoutwardzalne),
bądź obydwu czynników jednocześnie. Przestrzenne łączenie się makrocząsteczek moŜe
zachodzić takŜe
w następstwie reakcji aktywnych ośrodków wytworzonych wskutek działania
promieniowania jonizującego na łańcuchy niektórych polimerów, np. poliolefin.
Pojęcie makrocząsteczki w przypadku polimerów usieciowanych staje się umowne. Wynika
to stąd, Ŝe poszczególne łańcuchy tego typu związków wielkocząsteczkowych są połączone
wiązaniami poprzecznymi i właściwie cała masa polimeru jest jedną makrocząsteczką.
Polimery rozgałęzione (rys. 5b) mają budowę pośrednią między polimerami usieciowanymi a
liniowymi. Są one zwykle trudniej rozpuszczalne niŜ polimery
o strukturze liniowej.
3. Struktura fazowa i stany fizyczne polimerów
Rozmieszczenie makrocząsteczek w masie polimeru moŜe mieć charakter przypadkowy
lub w pewnym stopniu uporządkowany. Całkowicie przypadkowym ułoŜeniem
makrocząsetczek odznaczają się polimery bezpostaciowe (amorficzne).
Regularne usytuowanie makrocząsteczek, jakie wykazują polimery krystaliczne, występuje
rzadziej niŜ rozmieszczenie przypadkowe. Ponadto polimery, w przeciwieństwie do
małocząsteczkowych substancji stałych, nie są całkowicie skrystalizowane. Tworzą one układ

dwufazowy, w którym obok obszarów krystalicznych występują jednocześnie obszary
bezpostaciowe (rys. 6). Strukturę polimerów tworzących taki układ moŜna więc określić jako
częściowo krystaliczną.
Rys. 6. Dwufazowy układ polimeru o strukturze częściowo krystalicznej
(linie proste symbolizują obszary krystaliczne)

2.3.1. Polimery bezpostaciowe
Polimery amorficzne mogą znajdować się w jednym z czterech stanów fizycznych:
− szklistym,
− lepkospręŜystym,
− wysokoelastycznym lub kauczukopodobnym,
− plastycznym (stan cieczy lepkiej).
Z kaŜdym z wymienionych stanów wiąŜą się charakterystyczne właściwości fizyczne
polimeru. Podczas przejścia polimeru z jednego stanu w drugi następuje wyraźna zmiana tych
właściwości, np. przewodnictwa cieplnego, objętości właściwej, rozszerzalności termicznej,
modułu elastyczności.
Stan szklisty
PoniŜej temperatury zeszklenia T g polimery występują w stanie szklistym (rys. 7). Energia
termiczna ruchów makrocząsteczek jest tu zbyt mała, aby mogła nastąpić zmiana ich
wzajemnego połoŜenia. W stanie fizycznym szklistym wyróŜnia się zakres szklisty kruchy i
szklisty z wymuszoną elastycznością.
W stanie szklistym kruchym odkształcenia są niewielkie i spręŜyste do kilku procent. Polimer
spełnia prawo Hooke’a i jego moduł spręŜystości jest duŜy. Jako granicę przypisuje się
wartość E = 10 9 N/m 2 .
Dla wielu polimerów stan szklisty jest jedynym stanem, w jakim one występują. Do tej grupy
polimerów naleŜą wszystkie silnie usieciowane związki wielocząsteczkowe (duroplasty –
Ŝywice epoksydowe, fenolowo-formaldehydowe (fenoplasty), nienasycone poliestry,
silikony). PowyŜej określonej temperatury następuje ich rozkład termiczny.
W stanie szklistym z wymuszoną elastycznością – oprócz duŜej wytrzymałości i modułu
spręŜystości – występują znaczne odkształcenia pod działaniem siły (ok. 20% wydłuŜenia).
Próbka wydłuŜa się na skutek wewnętrznych przesunięć łańcuchów, które przypisują
połoŜenie zgodne z kierunkiem deformacji. Takie zachowanie wykazuje większość liniowych
polimerów termoplastycznych, np. polistyren, poli(chlorek winylu), poli(metakrylan metylu),
poliwęglany, których zakres temperatur uŜytkowania znajduje się w obszarze szklistym.
Stan lepkospręŜysty
W obszarze tym obserwuje się gwałtowną zmianę właściwości, np. zmniejszanie się modułu
spręŜystości wraz z temperaturą (rys. 7). Jest to stan pośredni między stanem szklistym a
wysokoelastycznym. Zakres temperatur między początkiem zmian właściwości, aŜ do ich
ustabilizowania określa się teŜ jako zakres temperatury zeszklenia. Umownie przyjęto za T g
temperaturę połowy tego zakresu temperatur.

σ
σ
σ
σ
ε
ε
Rys. 7. Stany fizyczne bezpostaciowych polimerów oraz wykresy zachowania się polimerów pod wpływem obciąŜenia –
zaleŜność σ = f(ε): 1 – polimery termoplastyczne, 2 – polimery o małym stopniu usieciowania (elastomery), 3 – polimery o
duŜym stopniu usieciowania (duroplasty),
T g – temperatura zeszklenia, T f – temperatura topnienia, T k – temperatura kruchości .
Stan wysokoelastyczny
W stanie tym odkształcenia są spręŜyste, z tą jednak róŜnicą, Ŝe niewielkie napręŜenie
powoduje duŜe deformacje, zgodne w przybliŜeniu z prawem Hooke’a, moduł spręŜystości
jest niewielki E = 10 7 N/m 2 . W tym stanie energia ruchu cieplnego makrocząsteczek jest
bliska energii ich wzajemnego oddziaływania. MoŜliwe są zatem zmiany połoŜenia
poszczególnych segmentów łańcuchów polimeru przy braku ruchliwości całych
makrocząsteczek. Segmenty łańcuchów są zdolne do wykonywania ruchów obrotowych i do
częściowego przesunięcia się (ślizgania) względem siebie pod działaniem sił zewnętrznych.
Stan ten jest dla niektórych polimerów ostatecznym stanem fizycznym, gdyŜ dalsze
ogrzewanie prowadzi do ich termicznego rozkładu. Przykładem takich polimerów są trwale
usieciowane elastomery (wulkanizowane kauczuki). Dalsze ogrzewanie doprowadza do
termicznego rozkładu makrocząsteczek.
ε
ε

Stan plastyczny (płynięcie)
Odkształcenie polimeru pod działaniem sił zewnętrznych zachodzi bez wywołania napręŜeń i
nie zanika po usunięciu działania siły.
Podczas odkształcenia poszczególne łańcuchy polimeru przesuwają się swobodnie względem
siebie, gdyŜ energia ich ruchu cieplnego przewyŜsza energię wzajemnego oddziaływania –
polimer płynie.
Polimery termoplastyczne liniowe, nieusieciowane np. polistyren, poli(chlorek winylu),
poliwęglany, poli(metakrylan metylu), w odpowiednich warunkach mogą się znajdować
w stanie plastycznym.
2.3.2. Polimery krystaliczne
Morfologia polimerów krystalicznych ma bardzo złoŜony charakter, gdyŜ są to materiały
polikrystaliczne, tzn. składają się z duŜej liczby obszarów krystalicznych, które znajdują się
albo obok siebie, albo obok obszarów amorficznych. Niektóre polimery są równieŜ
polimorficzne, mogą krystalizować w róŜnych formach krystalicznych w zaleŜności od
historii termicznej oraz rodzaju odkształcenia.
Krystaliczne obszary występujące w polimerach są określane jako krystality. Podczas
powolnego chłodzenia stopionych polimerów powstają skupiska krystalitów – sferolity (rys.
8). Procentowy udział obszarów krystalicznych w polimerze nosi nazwę stopnia
krystaliczności. W zaleŜności od rodzaju polimeru i warunków jego otrzymywania, a takŜe
parametrów przetwórstwa, polimer moŜe mieć róŜny stopień krystaliczności (od 0 do 90%, a
nawet więcej).
Rys. 8. Sferolity w polimerze krystalicznym
Z warunkami formowania struktur krystalicznych związana jest szybkość krystalizacji zaleŜna
od budowy chemicznej polimeru, jego cięŜaru cząsteczkowego oraz zespołu czynników
zewnętrznych, które ilościowo określa równanie Arrami’ego:
v
v
∞
∞
− v
− v
1
0
= exp
m
( − G ⋅ t )
w którym: v – objętość próbki, indeksy określają zaś odpowiednio objętość
początkową
i końcową w danym czasie,

G – stała szybkość wzrostu kryształów (zaleŜna od temperatury
i cięŜaru cząsteczkowego),
m – stała o wartości od 1 do 4 (zaleŜna od typu zarodków krystalizacji
geometrycznej formy i mechanizmu wzrostu kryształów),
t – czas.
Właściwości polimerów krystalicznych
Tablica 1
Stopień krystaliczności
[%]
Dominujące właściwości w zakresie temperatur
poniŜej T g
powyŜej T g
5 – 10 wysokoelastyczne szkliste, kruche
20 – 60 skóropodobne, mocne ropopochodne, mocne, wytrzymałe
70 – 90 twarde, sztywne twarde, sztywne, kruche
Niezbędnym warunkiem krystalizacji polimeru jest duŜa regularność i symetria w budowie
łańcucha. Takie warunki spełniają m.in. politetrafluoroetylen, izotaktyczny polipropylen,
poliamidy, poliformaldehyd, politereflalany. Polimery krystaliczne mają barwę od mętnomlecznej
do opalowej i róŜnią się znacznie właściwościami od polimerów amorficznych,
które są przezroczyste. Ze wzrostem stopnia krystaliczności zwiększa się temperatura
topnienia i wytrzymałość mechaniczna polimeru, maleje przezroczystość, a przejście z fazy
stałej w ciekłą staje się bardziej „ostre” (odbywa się w węŜszym przedziale temperatury).

2.4. Klasyfikacja polimerów
2.4.1. Klasyfikacja chemiczna
Za podstawę klasyfikacji chemicznej polimerów przyjmuje się metodę otrzymywania
związków wielkocząsteczkowych. ZaleŜnie od pochodzenia tych związków rozróŜnia się
polimery naturalnie modyfikowane i tworzywa syntetyczne.
Modyfikowane polimery naturalne są otrzymywane ze związków wielkocząsteczkowych
pochodzenia naturalnego przez zmianę ich właściwości w sposób chemiczny lub
fizykochemiczny. NaleŜą do nich m.in. tworzywa powstałe na bazie pochodnych celulozy
(octan celulozy, octanomaślan celulozy).
Polimery syntetyczne otrzymywane w róŜnych rodzajach polireakcji przedstawia tablica 2
(w takiej klasyfikacji nie uwzględnia się faktu, Ŝe polireakcja składa się z procesów
elementarnych – uwzględniamy tylko proces ostatni (w czasie)).
Tworzywa syntetyczne
Tablica 2
Tworzywa otrzymywane
przez polimeryzację
Polietylen, polipropylen, kopolimery
olefinowe
Poli(chlorek winylu),
kopolimery winylowe
Polistyren i kopolimery
styrenu
Poli(metakrylan metylu)
Poliformaldehyd, kopolimer
acetalowy
Poli(tlenek fenylenu)
Politetrafluoroetylen i inne
polimery fluorowe
Tworzywa otrzymywane
przez polikondensację
Fenoplasty
Aminoplasty
Poliamidy otrzymywane z
kwasów dikarboksylowych i
diamin
Poliwęglany
Poliestry
Poli(siarczek fenylenu)
Poliimidy
Polieterosulfony
Tworzywa otrzymywane
przez poliaddycję
Poliuretany
Tworzywa epoksydowe
Poliamidy otrzymywane z laktamów
2.4.2. Klasyfikacja ze względu na właściwości uŜytkowe
Przyjmując za podstawę klasyfikacji tworzyw ich właściwości uŜytkowe moŜna wyodrębnić
w tej grupie materiałów elastomery i plastomery. Jako kryterium tego podziału przyjęto
zachowanie się polimeru, określone na podstawie zaleŜności napręŜenie–odkształcenie σ =
f(ε) w temperaturze pokojowej.
Elastomery są to polimery, które przy małych napręŜeniach wykazują duŜe odkształcenie (do
100%), gdyŜ ich temperatura zeszklenia znajduje się poniŜej temperatury pokojowej. Zakres
temperatury uŜytkowania znajduje się w obszarze stanu wysokoelastycznego. Do tej grupy
tworzyw zalicza się m.in. poli-izobutylen i poliuretany wtryskowe.
Plastomery wykazują nieznaczne odkształcenie pod niewielkim obciąŜeniem, a poddawane
wzrastającemu obciąŜeniu zaczynają odkształcać się plastycznie aŜ do mechanicznego
zniszczenia. Temperatura zeszklenia plastomerów jest wyŜsza niŜ temperatura pokojowa;
zakres temperatury ich uŜytkowania znajduje się w obszarze stanu szklistego lub twardego.
W zaleŜności od właściwości technologicznych moŜna je podzielić na:
− termoplasty (termoplastyczne polimery amorficzne i krystaliczne),
− duroplasty (polimery termo- i chemoutwardzalne).
Tworzywa termoplastyczne przechodzą kaŜdorazowo w stan plastyczny pod wpływem
ogrzania, natomiast po ochłodzeniu twardnieją. Termoplasty mogą być więc wielokrotnie

kształtowane, a ich przetwórstwo w wysokiej temperaturze (poniŜej temperatury rozkładu
polimeru) nie prowadzi w wyraźny sposób do chemicznych i fizycznych zmian polimeru ani
teŜ do zaniku plastyczności. Do termoplastów naleŜą prawie wszystkie tworzywa
polimeryzacyjne, a ponadto poliamidy, poliwęglan, poli(siarczek fenylenu), polieterosulfony i
termoplastyczne pochodne celulozy.
WaŜniejsze plastomery wraz z symbolami zgodnie z normą ISO/DIS 1043/1:
TERMOPLASTY
bezpostaciowe
krystaliczne
poli(chlorek winylu) PVC polietylen PE
polistyren PS polipropylen PP
poliwęglan PC poliamidy PA
polisulfony PSU polioksymetylen POM
W podziale termoplastów na bezpostaciowe i krystaliczne uwzględniono ich strukturę
fizyczną odpowiadającą produktom handlowym. Niektóre termoplasty zaliczane do
bezpostaciowych, np. poliwęglan, w specjalnych warunkach mogą krystalizować. PS i PVC o
budowie izotaktycznej są polimerami krystalicznymi.
Duroplasty są tworzywami sztucznymi, które w podwyŜszonej temperaturze lub pod
wpływem innych czynników przekształcają się w produkt usieciowany (nietopliwy i
nierozpuszczalny). W zaleŜności od sposobu utwardzania dzielą się one na tworzywa
termoutwardzalne i chemoutwardzalne.
• Tworzywa termoutwardzalne podczas ogrzewania początkowo miękną, a następnie
utwardzają się nieodwracalnie wskutek przestrzennego usieciowania makrocząsteczek,
zachodzącego w wyniku reakcji chemicznych w podwyŜszonej temperaturze. Ponowne
ogrzewanie produktu o budowie usieciowanej nie powoduje jego mięknienia, moŜe
natomiast doprowadzić w wysokiej temperaturze do chemicznego rozkładu polimeru.
Najbardziej znanymi przedstawicielami tej grupy tworzyw są fenoplasty
i aminoplasty, np.:
– Ŝywice fenolowo-formaldehydowe PF
– Ŝywice mocznikowe UF
• Tworzywa chemoutwardzalne ulegają sieciowaniu w temperaturze pokojowej lub
podwyŜszonej pod wpływem substancji zwanych utwardzaczami. Najczęściej
stosowanymi tego typu tworzywami są:
– Ŝywice epoksydowe EP
– nienasycone poliestry UP
– silikony SI
– poliuretany (niektóre) PUR

Drewno
Mianem „drewna” określa się surowiec otrzymywany ze ściętych drzew i formowany przez
obróbkę w róŜnego rodzaju sortymenty.
Budowę drewna najlepiej moŜna zaobserwować na przekroju poprzecznym. W skład drewna
wchodzą: rdzeń, drewno właściwe, miazga, łyko, kora, promienie rdzeniowe i przewody
Ŝywiczne.
Podstawową, najcenniejszą częścią pnia drzewnego jest drewno właściwe, składające się z
bielu i twardzieli. Biel zbudowany jest z komórek przewaŜnie Ŝywych, których rola w
drzewie polega na przewodzeniu wody i gromadzeniu pokarmów. Twardziel składa się z
komórek martwych, nie biorących udziału w Ŝyciu drzewa. Drewno twardzieli jest przesycone
garbnikami, związkami Ŝywicznymi i barwnikami. Ze względu na duŜe zróŜnicowanie
elementów oraz ich układu w dniu drzewnym, drewno wykazuje duŜą anizotropię
właściwości, tj. zróŜnicowanie właściwości fizycznych, mechanicznych w zaleŜności od
kierunku anatomicznego.
Skład chemiczny drewna
1. Węgiel 50 %
2. Tlen 43 %
3. Wodór 6,1 %
4. Azot 0,04 – 0,26 %
5. Składniki mineralne 0,3 – 1,2 %
Węgiel, tlen, wodór i azot występują w drewnie głównie w postaci kilku
wielkocząsteczkowych związków organicznych. Ściany komórek składają się głównie z
celulozy, poliozów i ligniny. Zawartość komórek stanowi garbnik, substancje barwiące,
Ŝywice, olejki eteryczne i alkaloidy.
Celuloza (błonnik, C 6 H 10 O 5/10 ) stanowi 50 – 70 % suchej masy drewna. Posiada budowę
włóknistą. Jest jedną z najbardziej odpornych substancji organicznych. Nie rozpuszcza się w
zimnej i gorącej wozie, eterze, alkoholu etylowym, acetonie i innych rozpuszczalnikach
organicznych. Hemiceluloza (poliozy drzewne) ma budowę zbliŜoną do celulozy, jednak
odporność jej jest mniejsza.
Lignina (drzewnik) jest obok celulozy i hemicelulozy głównym składnikiem ścianek komórek
i stanowi ok. 25 % suchej masy drewna. Zawiera duŜy procent węgla. Lignina inkrustując
błonnikowe ścianki komórek drewna i usztywniając je zwiększa ich wytrzymałość. Większa
zawartość procentowa ligniny nadaje drewnu większą trwałość. Lignina w porównaniu z
błonnikiem jest mniej odporna na działanie gorących ługów, utleniaczy, chlorków itp.
Celuloza, hemiceluloza i lignina stanowią łącznie 96 % suchej masy drewna.
Zawartość składników w róŜnych gatunkach drewna
Nazwa składnika Gatunki iglaste Gatunki liściaste
Celuloza 53 – 54 43 – 45
Poliozy drzewne 23 – 25 24 – 30
Lignina 26 – 29 19 – 26

Oprócz wymienionych składników, drewno zawiera w małych ilościach skrobię, tłuszcze,
Ŝywice, gumy, garbniki, olejki eteryczne, alkaloidy oraz związki mineralne w postaci
fosforanów, węglanów, mrówczanów, szczawianów i krzemianów (łącznie około 4 %).
Drewno pali się, tzn. łączy się z tlenem zawartym w powietrzu (temperatura zapłonu) w
normalnych warunkach w temperaturze 548 K (275°C). Z powodu stosunkowo małej
przewodności cieplnej grubsze drewno nie nagrzewa się dostatecznie, a palące się warstwy
powierzchniowe zaczynają się tlić i w końcu gasną. W praktyce przyjmuje się temperaturę
zapłonu (drewna sosnowego) w granicach 573 – 603 K (300 – 330°C).
Właściwości fizyczne drewna
Barwa drewna
KaŜdy gatunek drewna ma swoistą barwę, zaleŜną od obecności w jego komórkach garbnika,
Ŝywic lub innych substancji barwiących. Równomierna barwa drewna świadczy o jego dobrej
jakości. Na zmianę zabarwienia drewna wpływa w znacznym stopniu jego przechowywanie i
konserwacja, naleŜy więc ją ustalić na podstawie głębokiego nacięcia.
Zapach drewna
Drewno kaŜdego gatunku w mniejszym lub większym stopniu wydziela charakterystyczny
zapach, który ma pewne znaczenie przy odróŜnianiu poszczególnych gatunków drewna.
ZaleŜy od zawartości Ŝywic, olejków eterycznych, garbnika i innych substancji. Substancje te
wydzielają zapach przy pocieraniu, nagrzewaniu i obróbce. Celuloza i lignina są bezwonne.
Większość drzew iglastych wydziela zapach Ŝywiczny (terpentyna), świeŜy dąb pachnie
kwaśno garbnikiem. Drewno chore traci swój zapach, przyjmując woń grzyba lun zgnilizny.
Pewne gatunki o silnym zapachu Ŝywic lub garbników mogą nasycić tym zapachem
zapachochłonne towary, które stają się wówczas niezdatne do uŜytku. Na przykład uŜycie
świeŜego drewna sosnowego lub drewna zawierającego większą ilość sęków Ŝywicznych na
deskowanie ładowni statków rybackich powoduje, Ŝe przewoŜona ryba staje się nieprzydatna
do spoŜycia. Zapach drewna po upływie pewnego czasu słabnie, a po wysuszeniu zwykle
znika zupełnie.
Gęstość drewna
Gęstość drewna jest to stosunek masy do objętości drewna, wyraŜony w g/cm 3 lub w kg/m 3 .
Przez objętość drewna naleŜy rozumieć sumę objętości substancji drzewnej, wody i
wszystkich wolnych przestrzeni. Gęstość drewna zaleŜy więc od wilgotności, porowatości,
szerokości słojów rocznych oraz miejsca połoŜenia w pniu (porównaj tab. 2).
Odrębnym pojęciem jest gęstość substancji drzewnej. Gęstość substancji drzewnej jest to
gęstość masy drewna po wyeliminowaniu submikroskopowych porów i zawartej w nich
wody. Wielkość ta jest prawie niezaleŜna od gatunku drzewa. Średnia wartość gęstości
substancji drzewnej wynosi 1540 kg/m 3 . Gęstość substancji drzewnej nie ma większego
praktycznego znaczenia. Gęstość drewna zmniejsza się od odziomka (dolna część pnia
długości do 5 m) ku wierzchołkowi. W sosnach ta róŜnica dochodzi do 21 %, a nawet do
27 % na wysokości 12 – 18 m. W drewnie brzozy róŜnica ta osiąga 15 % na wysokości 12 m.
DuŜą róŜnicę gęstości wykazuje drewno przyrostu wczesnego w stosunku do drewna
późnego. Stosunek ten w drewnie sosny wynosi 1:2,4, a w drewnie modrzewia 1:3. Gęstość
drewna róŜnych gatunków drzew wykazuje duŜą rozpiętość, np. w stanie powietrzno-suchym,
tj. przy 15 % wilgotności, gęstość drzewa podzwrotnikowego Alstonia spathulata Blume

wynosi zaledwie 0,058 g/cm 3 (58 kg/m 3 ), balsy 0,15 g/cm 3 , (150 kg/m 3 ), a drewna gwajaku aŜ
około 1,3 g/cm 3 (1300 kg/m 3 ).
Ze względu na duŜą rozpiętość gęstości drewna róŜnych gatunków drzew dzieli się na:
• bardzo cięŜkie – gęstość ponad 0,80 g/cm 3 ,
• cięŜkie – gęstość 0,71 – 0,80 g/cm 3 ,
• umiarkowanie cięŜkie – gęstość 0,61 – 0,70 g/cm 3 ,
• lekkie – gęstość 0,51 – 0,60 g/cm 3 ,
• umiarkowanie lekkie – gęstość 0,41 – 0,50 g/cm 3 ,
• bardzo lekkie – gęstość poniŜej 0,40 g/cm 3 .
Rodzaje drewna
Iglaste
Gęstość niektórych gatunków drewna krajowych drzew iglastych i liściastych
oraz niektórych drzew egzotycznych [g/cm 3 ]
Drewno świeŜo
ścięte
Drewno powietrzno-suche
(wilgotność) [d w ]
Drewno całkowicie
suche [d o ]
sosna 0,700 0,58 0,55
modrzew 0,760 0,63 0,59
świerk 0,740 0,49 0,46
jodła 1,000 0,52 0,48
Liściaste
Dąb 1,080 0,69 0,66
wiąz 0,950 0,67 0,64
jesion 0,920 0,71 0,68
Buk 0,990 0,73 0,69
Grab 1,080 0,74 0,70
olcha 0,690 0,53 0,49
brzoza 0,940 0,66 0,62
Klon 0,870 0,68 0,64
Lipa 0,730 0,49 0,46
orzech 0,990 0,68 0,64
Niektóre gatunki egzotyczne
balsa – 0,13 0,106
mahoń – 0,60 0,55
Teak (tik) – 0,67 0,63
gwajak – 1,166 1,16
Wilgotność drewna
Jest to procentowa zawartość wody w drewnie, mająca duŜy wpływ na jego cechy
wytrzymałościowe. Woda występująca w drewnie dzieli się na wodę:
• kapilarną (wolna), wypełniającą komórki i przestrzenie międzykomórkowe, stanowi
60 % ogólnej ilości wody w drewnie;
• higroskopijną (pęcznienia), nasycającą błony i ściany komórek, stanowi do 30 %
ogólnej ilości wody;

• chemiczną, wchodzącą w skład soku komórkowego, stanowi 5 % ogólnej ilości
wody. Woda chemicznie związana wydziela się dopiero przy chemicznym rozkładzie
drewna w wyŜszej temperaturze.
Górną granicę chłonności i nasycenia błon oraz ścianek komórkowych wodą higroskopijną
określa się jako punkt nasycenia włókien. ZaleŜnie od gatunku drewna punkt nasycenia
włókien wynosi od 23 – 30 % wilgotności. Przy wilgotności przewyŜszającej punkt nasycenia
włókien, woda gromadzi się wewnątrz komórek jako woda wolna. Po długotrwałym
przebywaniu drewna w wodzie wilgotność moŜe wzrosnąć do 300 %, a nawet więcej.
W praktyce rozróŜnia się wilgotność (w) drewna:
• w stanie świeŜo ściętym w = 35 – 120 %,
• mokrego w = 240 % (np. drewno spławiane)
• powietrzno-suchego w = 13 – 20 %,
• pokojowo-suchego w = 8 – 13 %,
• absolutnie suchego w = 0 %.
Przy wysychaniu drewna świeŜego lub mokrego stosunkowo szybko wyparowuje woda
wolna. Po przekroczeniu punktu nasycenia włókien juŜ znacznie wolniej zaczyna
odparowywać woda nasycona. Do odparowania wody nasyconej trzeba zuŜyć w przybliŜeniu
czterokrotnie większej ilości ciepła niŜ do odparowania tej samej ilości wody wolnej.
Nieznaczna część wody higroskopijnej i chemicznie związanej pozostaje w drewnie nawet po
długotrwałym suszeniu w temperaturze 373 K ± 5 K (100°C ± 5°C). Dalsze suszenie
powoduje zmiany strukturalne drewna. Stan, do którego dochodzi drewno po długotrwałym
suszeniu w temperaturze 373 K ± 5 K (100°C ± 5°C) nazywamy absolutnie suchym.
Wilgotność bezwzględną drewna wyznacza się ze wzoru:
gdzie:
G w – masa drewna wilgotnego [kg],
G o – masa drewna suchego [kg],
w b – wilgotność bezwzględna.
Gw
− Go
w b = ⋅100 %
G
o
Wilgotność bezwzględna drewna jest to stosunek zawartej w drewnie wody do masy drewna
całkowicie suchego.
Wilgotność względna drewna jest to stosunek zawartej w drewnie wody do masy drewna
wilgotnego:
w
w
Gw
− G
=
G
w
o
⋅100 %
W drzewnictwie termin wilgotności oznacza wilgotność bezwzględną drewna.
ZaleŜność między wilgotnością bezwzględną i względną wyraŜają wzory:
w
o
100 ⋅ w
=
100 − w
w
w
w
w
100 ⋅ wo
=
100 + w
o

Higroskopijność drewna
Higroskopijność drewna jest to zdolność wymiany pary wodnej między drewnem a
otaczającym powietrzem. ZaleŜnie od wilgotności drewna oraz od układu warunków
zewnętrznych (temperatura i wilgotność względna powietrza) drewno oddaje nadmiar swej
wilgoci otoczeniu lub uzupełnia niedobór wilgoci, pobierając parę wodną z powietrza.
Pęcznienie i kurczenie się drewna
Pęcznienie jest to zwiększenie wymiarów liniowych i objętości drewna przy sorpcji pary
wodnej z atmosfery lub wody z otoczenia. W wyniku tego zjawiska występuje woda związana
w submikroskopowe pory błony komórkowej. Zjawisko pęcznienia jest ograniczone do
przedziału higroskopijnego, tj. do przedziału wilgotności od stanu bezwodnego (0 %
wilgotności) do wilgotności granicznej błon (30 % wilgotności), przy której drewno osiąga
maksymalne wymiary. Woda wolna, wchłaniana powyŜej wilgotności granicznej błon, wnika
w makroskopowe pory drewna, nie powodując pęcznienia. Kurczenie się drewna polega na
zmniejszeniu się wymiarów przy wysychaniu drewna (desorpcja) w przedziale
higroskopijnym, tzn. od wielkości granicznej błony do stanu bezwodnego (od 30 do 0 %
wilgotności). W praktyce przyjmuje się, Ŝe kurczenie i pęcznienie są to równe co do wielkości
zjawiska odwracalne. Współczynnik skurczu liniowego jest to wielkość odpowiadająca
zmniejszeniu się wilgotności o 1 %. W tabelach właściwości drewna podane są wartości
skurczu liniowego i objętościowego, obejmujące cały zakres przedziału higroskopijnego. W
obliczeniach praktycznie przyjmuje się, Ŝe współczynnik kurczliwości równa się całkowitemu
skurczowi objętościowemu podzielonemu przez 30 (wilgotność graniczna błon) oraz, Ŝe
współczynnik pęcznienia jest równy współczynnikowi kurczliwości, co przedstawia wzór:
K
α v =
3
gdzie:
α v – współczynnik kurczliwości objętościowej,
K v – całkowity skurcz objętościowy.
v
[%]
Związek między wilgotnością a gęstością drewna
Zmiany wilgotności drewna powodują zmiany jego gęstości. Przy nawilŜaniu drewna suchego
(w = 0 %), gęstość drewna rośnie powoli, gdyŜ w miarę wzrostu masy rośnie, wskutek
pęcznienia, objętość drewna. Po przekroczeniu wilgotności granicznej błon, gęstość rośnie
szybko, poniewaŜ wzrostowi wilgotności drewna odpowiada tylko wzrost masy. Objętość
drewna staje się przy wilgotności granicznej błon wielkością stałą. Przy wysychaniu drewna
mokrego zjawisko przebiega w sposób odwrotny.
ZaleŜność między gęstością i wilgotnością drewna, mieszczącą się w przedziale od 0 % do
wilgotności granicznej błon, określa wzór:
d
w
1+
w
= do
[g/cm 3 ]
1+
w⋅α
w którym:
d w – gęstość drewna przy wilgotności w,
d o – gęstość drewna suchego [g/cm 3 ],
w – wilgotność drewna w wartościach bezwzględnych,
α v – współczynnik kurczliwości objętościowej (w %).
v

Jeśli wilgotność drewna przewyŜsza wilgotność graniczną błon, wzór przybiera postać:
d
w
= d
o
1+
w
1+
K
v
[g/cm 3 ]
w którym K v wyraŜa całkowite spęcznienie objętościowe drewna, wyraŜone w wartościach
bezwzględnych.
Przewodnictwo ciepła i elektryczności
Drewno jest złym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Przewodność cieplna i elektryczna
drewna zaleŜy od jego rodzaju, gęstości, od kierunku przebiegu włókien, wilgotności i
temperatury.
Przewodnictwo cieplne maleje wraz z wyschnięciem i zmniejszeniem gęstości.
Właściwości mechaniczne drewna
Przez mechaniczne właściwości drewna rozumie się zdolność jego przeciwstawiania się
działaniu zewnętrznych sił mechanicznych. Współczynnik wytrzymałości i moduł
spręŜystości w poszczególnych płaszczyznach (do kierunku przebiegu włókien) drewna są
róŜne (materiał anizotropowy).
Mechaniczne właściwości drewna zaleŜą nie tylko od kierunku przebiegu włókien, ale
równieŜ od stopnia nasycenia drewna wodą. Przy zawartości wody w granicach od świeŜo
ściętego lub spławianego drewna do punktu nasycenia włókien (23 – 30 %), właściwości
mechaniczne zmieniają się nieznacznie, natomiast w granicach od punktu nasycenia włókien
do stanu bezwzględnie suchego, właściwości mechaniczne szybko wzrastają.
Gatunek
drewna
Właściwości mechaniczne niektórych gatunków drewna
Moduł spręŜystości
podłuŜnej E
[KG/cm 2 ]
Średnia wytrzymałość
na rozciąganie max
[KG/cm 2 ]
Wytrzymałość na
ściskanie podłuŜne
[KG/cm 2 ]
Sosna 120 100 720 753
Świerk 129 110 624 555
Jodła 113 300 533 482
Buk 180 000 1 340 445
Dąb 108 300 964 762