pobierz - Drewno

Transcription

pobierz - Drewno

INSTYTUT TECHNOLOGII DREWNA
WOOD TECHNOLOGY INSTITUTE
DREWNO
PRACE NAUKOWE ● DONIESIENIA
KOMUNIKATY
WOOD
RESEARCH PAPERS ● RESEARCH REPORTS
ANNOUNCEMENTS
Vol. 56
POZNAŃ 2013
Nr 189
Wydanie publikacji dofinansowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
w ramach programu „Index Plus”.
The journal is financially supported by Polish Ministry of Science and Higher Educations
under the „Index Plus” programme.
Recenzenci: Lista recenzentów jest publikowana w czasopiśmie raz w roku, w drugim
numerze (co dwa numery).
Reviewers: The reviewer list is published in the journal once a year, in the second issue.
Publikacje indeksowane są w bazach danych (Publications are indexed in the databases): Agro – http://agro.icm.edu.pl/agro, Arianta – www.arianta.pl, Science Citation Index
Expanded – http://thomsonreuters.com, BazTech – http://baztech.icm.edu.pl, SCOPUS –
http://www.scopus.com, DREWINF – http://www.itd.poznan.pl, The Central European
Journal of Social Sciences and Humanities – http://cejsh.icm.edu.pl.
W 2010 roku czasopismo znalazło się na tzw. liście filadelfijskiej (ISI Master Journal List)
z obliczonym Impact Factorem (IF).
W 2010 roku czasopismo zostało uhonorowane Medalem im. Michała Oczapowskiego.
Artykuły polskojęzyczne zawierają streszczenia w języku angielskim, a obcojęzyczne –
w języku polskim. Spisy treści, streszczenia i pełne teksty artykułów są dostępne na stronie www.itd.poznan.pl/pl/drewno.
Wersja pierwotna – papierowa.
In 2010 the journal was indexed on ISI Master Journal List with calculated Impact Factor (IF).
In 2010 the journal was honored with Michał Oczapowski Medal.
Polish language articles have summaries in English language, and foreign language articles have summaries in Polish language. Tables of contents, summaries, and full versions
of the articles are available at www.itd.poznan.pl/en/wood.
The original version – paper.
Wydawca (Publisher): Instytut Technologii Drewna
ul. Winiarska 1, 60-654 Poznań, Polska (Poland)
Adres Redakcji (Editor’s address): Instytut Technologii Drewna
ul. Winiarska 1, 60-654 Poznań
tel.: +48 61 849 24 01, +48 61 849 24 61, fax: +48 61 822 43 72,
e-mail: [email protected]
© Copyright by Instytut Technologii Drewna w Poznaniu
Poznań 2013
ISSN 1644-3985
Projekt okładki (Cover design): Piotr Gołębniak
Skład komputerowy (Computer typesetting) oraz druk (Print):
Studio Poligrafia, ul. Bułgarska 10, 60-321 Poznań, tel.: +48 61 867 53 72
Nakład (Edition): 520 egz.
SPIS TREŚCI – CONTENTS
Prace naukowe – Research papers
Mariusz Jerzy Stolarski, Michał Krzyżaniak, Bogusława Waliszewska, Stefan
Szczukowski, Józef Tworkowski, Magdalena Zborowska: Lignocellulosic
biomass derived from agricultural land as industrial and energy feedstock
(Dendromasa pozyskana z gruntów rolniczych jako surowiec przemysłowy
i energetyczny) ..............................................................................................
5
Krzysztof Michalec, Anna Barszcz, Radosław Wąsik: Jakość surowca świerkowego pochodzącego z drzewostanów naturalnych (rezerwatowych)
i drzewostanów pełniących funkcje gospodarcze (The quality of spruce timber from natural stands (forest reserves) and managed stands) ..................
25
Zbigniew Karaszewski, Mariusz Bembenek, Piotr S. Mederski, Anna
Szczepańska-Alvarez, Rafał Byczkowski, Anna Kozłowska, Klaudiusz
Michnowicz, Wojciech Przytuła, Dieter F. Giefing: Identifying beech
round wood quality – distribution of beech timber qualities and influencing
defects (Udział klas jakości drewna bukowego oraz wad wpływających na
klasyfikację surowca okrągłego) ..................................................................
39
Jadwiga Zabielska-Matejuk, Waldemar Spychalski, Anna Stangierska:
Oddziaływanie nowych preparatów do ochrony drewna na środowisko
glebowe (Impact of the CCB and ACQ – type preservatieves on the soil
environment) .................................................................................................
55
Jan Bocianowski, Krzysztof Joachimiak, Adam Wójciak: The influence of process variables on the strength properties of NSSC birch pulp. Towards the
limits of optimization: part two – the effect of temperature and time of cooking (Wpływ zmiennych czynników procesowych na właściwości wytrzymałościowe brzozowych mas półchemicznych (NSSC). W kierunku granic optymalizacji: część druga – wpływ temperatury i czasu warzenia) ....................
71
Marcin Klimczewski, Danuta Nicewicz: Properties of selected hdf pulp with
recovered fibers added (Wybrane właściwości mas włóknistych przeznaczonych na płyty HDF z dodatkiem włókien poużytkowych) .......................
89
Jānis Iejavs, Uldis Spulle: Compression strength of three layer cellular wood
panels (Wytrzymałość na ściskanie trójwarstwowych płyt komórkowych) ... 101
Kazimierz A. Orłowski, Adam Walichnowski: Analiza ekonomiczna produkcji warstw licowych podłóg klejonych warstwowo (Economic analysis of
upper layer production of engineered floorings) ......................................... 115
Doniesienia naukowe – Research reports
Jasna Hrovatin, Silvana Prakrat, Jordan Berginc, Milan Šernek, Anton
Zupančič, Leon Oblak, Sergej Medved: Strength comparison of joints
at window frames (Porównanie wytrzymałości połączeń w ościeżnicach
okiennych) .................................................................................................... 127
Drewno. Pr. Nauk. Donies. Komunik. 2013, vol. 56, nr 189
DOI: 10.12841/wood.1644-3985.027.01
PRACE NAUKOWE – RESEARCH PAPERS
Mariusz Jerzy Stolarski, Michał Krzyżaniak,
Bogusława Waliszewska, Stefan Szczukowski,
Józef Tworkowski, Magdalena Zborowska1
LIGNOCELLULOSIC BIOMASS DERIVED FROM
AGRICULTURAL LAND AS INDUSTRIAL AND ENERGY
FEEDSTOCK
Lignocellulosic biomass is a natural, renewable and highly versatile resource.
In recent years, woody biomass produced in short rotation coppices has become
increasingly popular. Hence, this research was undertaken to assess the thermophysical and chemical properties of willow, poplar and black locust stems in relation
to a soil fertilization regime. The experiment was set up in the village of Samławki
in north-eastern Poland (53°59’ N, 21°04’ E), on soil considered sub-standard for
the traditional agricultural production of food or fodder crops. The black locust
biomass was characterised by the lowest moisture content combined with the greatest lower heating value and ash content. The poplar plant had the highest carbon
and hydrogen content and the greatest higher heating value, although due to its
high moisture content, it had the poorest lower heating value. The willow biomass
was characterised by the highest content of cellulose and holocellulose. Mycorrhiza improved the cellulose content as well as the lignin and holocellulose content
Mariusz Jerzy Stolarski, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, Olsztyn, Poland
email:[email protected]
Michał Krzyżaniak, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, Olsztyn, Poland
email: [email protected]
Bogusława Waliszewska, Poznań University of Life Sciences, Poznań, Poland
Stefan Szczukowski, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, Olsztyn, Poland
Józef Tworkowski, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, Olsztyn, Poland
Magdalena Zborowska, Poznań University of Life Sciences, Poznań, Poland
6
M. J. Stolarski, M. Krzyżaniak, B. Waliszewska, S. Szczukowski, J. Tworkowski, M. Zborowska
in the wood of the black locust. In the case of the willow wood, the application
of lignin to the soil was the only measure that reduced the content of the lignin
in the lignocellulosic biomass.
Keywords: willow, poplar, black locust, chemical composition, thermophysical
properties, short rotation coppices
Introduction
Wood is a natural, renewable resource that can be used in a variety of ways. Nowadays, it is more widely used in industry, with the actual applications dependent
on the economy of a given country. In developed countries, wood processing is
comprehensive and rational. In developing countries, however, wood constitutes
a major energy source. It is estimated that as much as 90% of the energy is produced
from wood, proving itself to be an available and inexpensive resource [Manalula,
Meincken 2009]. It is worth noting that lignocellulosic biomass as a source
of energy is used in a number of technologies. Processes of energy generation
from biomass depend mainly on the type and source of biomass. Lignocellulosic
biomass may be transformed into various forms of biofuel including solid, liquid
and gaseous ones. Biomass-derived fuel may provide heat energy for residential
estates and industrial facilities, generate electric energy and serve as transport
fuel [Gross et al. 2003; Keoleian, Volk 2005; Guidi et al. 2009; Somerville 2010;
Hanoka et al. 2010; Vaezi et al. 2012].
The rational use of natural resources is crucial for environmental protection.
The demand for clean and environmentally-friendly fuels stimulates the search for
new energy sources and the development of new production technologies designed to replace conventional fuel with a range of biofuels. Wood as lignocellulosic
matter is one of the key resources used for second generation biofuel production.
The International Energy Agency (IEA) forecasts that in 2050 biofuel may account
for as much as 27% of all transport fuel, substantially reducing the emission
of carbon dioxide into the atmosphere. Within the global economy, bioethanol
production from lignocellulosic biomass may generate 50 billion dollars by 2022
[IEA 2004].
Nevertheless, it must be underlined that the expected high demand for lignocellulosic biomass by the power engineering industry may result in shortages
of this woody resource for other industrial purposes, including cellulose and paper
production, as well as furniture and wood-like flooring manufacture [Stolarski
et al. 2011]. Therefore, good quality non-forest lignocellulosic resources are urgently being sought. It is most important to evaluate the physicochemical quality of lignocellulosic biomass derived from short rotation coppices cultivated
on arable land. This research on the thermophysical and chemical properties of
two-year willow, poplar and black locust plants was undertaken for this purpose.
Lignocellulosic biomass derived from agricultural land as industrial and energy feedstock
7
Material and methods
Field experiment
A controlled two level factorial field experiment completed between 20–31 April
2010 at the Research Station in Łężany, affiliated to the University of Warmia
and Mazury in Olsztyn, served as the basis for this research. The experiment was
located in the village of Samławki in north-eastern Poland (53°59’ N, 21°04’ E),
on soil considered sub-standard for the traditional agricultural production of food
or fodder crops.
The first factor of the experiment consisted of three plant species: willow
(Salix viminalis), poplar (Populus nigra x P. Maximowiczii Henry cv. Max-5 P)
and black locust (Robinia pseudoacacia). All the crops were planted at a density
of 11.11 thousand plants per hectare. The second factor was soil enrichment, referred to as fertilization. The following substances were applied to amend the soil:
lignin (L), mineral fertilization (F), and mycorrhizal vaccination (M). The control
treatment (C) added no amending substances to the soil.
Lignin, a paper manufacturing by-product, was introduced to the soil in
a quantity of 13.3 Mg ha-1. Liquid mycorrhizal vaccination was applied under
each of the crops in a dose of 30–35 cm3 per plant; the NPK mineral fertilization
consisted of 13 N, 50 P and 90 K kg ha-1. The experiment was set up in a split-plot design. In total, 72 plots were established, each divided into three subplots,
18.0 m2 each.
Collection of lignocellulosic biomass for laboratory analyses
In December 2011, two-year-old plants were manually cut with chain saw type
DCS520 (Makita), 5–10 cm above the soil surface. Following this, the whole
stems were made into wood chips in a Junkkari HJ 10 G (Junkkari, Finland) chopper coupled with a 96 kW tractor (New Holland, England). During the stem chipping, samples of the biomass corresponding to all the experimental factors were
collected from each subfield for laboratory analysis. The collected samples were
packed into plastic bags and transported to the Department of Plant Breeding and
Seed Production at the University of Warmia and Mazury in Olsztyn.
Laboratory analysis
The average bulk density of the fresh wood chips of each species was determined
in a laboratory. It was derived from the weight of the wood chips contained in
a pot of 0.08 m3 capacity. The analysis of the thermophysical and chemical properties was carried out in triplicate for each combination. First, the biomass moisture
content was measured using the oven-dry method. For this purpose, the biomass
was dried at 105±2°C in a Premed drier (KBC G-65/250; PN 80/G-04511) to ob-
8
tain dry biomass. Then the dry biomass was ground in an IKA KMF 10 basic analytical mill (IKA Werke Gmbh & CO.KG, Germany) with a 1 mm mesh sieve. During the next stage, the higher heating value for dry biomass was determined with
the dynamic method, using an IKA C 2000 calorimeter (IKA Werke Gmbh&CO.
KG, Germany) in line with PN-81/G-04513. A sample of approximately 0.5 g was
pelleted in an IKA WERKE C-21 press and left to dry. The biomass pellets were
dried in a laboratory oven at 105±2°C, weighed with an accuracy of 0.1 mg, placed in a quartz crucible and inserted into a bomb calorimeter for further analysis in
a pure oxygen atmosphere under 30 atm pressure. Based on the moisture content
and higher heating value, the lower heating value of the biomass was determined,
according to Kopetz et al. [2007]. The total content of ash was determined in an
ELTRA TGA-Thermostep thermogravimetric analyser (ELTRA Gmbh, Germany)
in accordance with the following standards: ASTM D-5142, D-3173, D-3174,
D-3175, PN-G-04560:1998 and PN-ISO 562. A sample weighing approximately
1.5 g was prepared for the analysis. The concentrations of carbon, hydrogen and
sulphur in the dry biomass were determined in an ELTRA CHS 500 automatic
analyser (ELTRA Gmbh, Germany) according to PN/G-04521 and PN/G-ISO 35.
A portion of approx. 0.15 g was weighed, as required for the analysis. The content
of nitrogen was determined with Kjeldahl’s method, using a K-435 mineraliser
and a B-324 BUCHI distiller (BÜCHI Labortechnik AG, Schwitzerland). Finally,
the content of chlorine was determined in Eschka’s mixture.
The material for the chemical analyses was prepared in accordance with
PN-92/P-50092. The samples were ground in a laboratory mill (Fritsch type 15)
using a sieve with 1.0 mm square screens. The material was passed through brass
sieves to separate the 0.5–1.0 mm fraction. The chemical composition was determined with the standard methods applied for chemical analyses of wood. Before
determination of the cellulose, lignin and holocellulose content, extraction in 96%
ethyl alcohol was performed using a Soxhlet’s apparatus. Afterwards, the material
was dried under laboratory conditions and the extracted substances (lipids, waxes,
resins and others) were dried in a drier at 103±2oC. As a result, the content of the
following substances was determined: cellulose (using the Seifert method), lignin
(using the Tappi method, using 72% H2SO4), pentosans (using the with Tollens
method), holocellulose (using sodium chlorite, according to PN-75/50092), base-soluble substances (1% aqueous solution of NaOH) yielding data on the content
of hemicelluloses in the tested wood, and finally the content of the substances
soluble in cold and hot water. Additionally, the pH was assessed according to
PN-Z-15011-1. Firstly, 50 g of the resource material was mixed in a conical flask
with 200 cm3 of distilled water. The flask, tightly closed, was put into a shaker and
shaken for 0.5 hours. It was then left for 1 hour and the contents were stirred prior
to the pH measurement. The results were read three times with an accuracy of 0.1.
All the tests were repeated simultaneously in three replications. The results were
calculated in relation to wood dry matter.
9
Statistical analysis
The research results were submitted to statistical analysis according to a 2×2 factorial ANOVA variance analysis. The SNK multiple test (Student Newman-Keuls)
aggregated the means of similar values and generated homogeneous groups at
a significance level of α = 0.01. Furthermore, the arithmetic means and standard
deviation were calculated for the analysed properties. The statistical analyses
were conducted with the aid of STATISTICA 9.0 (StatSoft, Inc.).
Results
The bulk density of the fresh wood chips made from two-year stems chipped in
a Junkkari HJ 10 G chopper was the highest for the willow (276.5 kg m-3). It was
lower for the wood chips made from the poplar (260.87 kg m3) and the black
locust plants (249.74 kg m-3). The average bulk density of the wood chips was
262.36 kg m-3.
In general, the thermophysical properties of the biomass were extremely varied with respect to the analysed factors and their interactions (tables
1 and 2).
Table 1. Significance of major effects and primary interactions for biomass thermo-physical properties
Tabela 1. Istotność efektów głównych i interakcji pierwszego rzędu dla właściwości termo-fizycznych biomasy
Specification
Specyfikacja
Moisture
Ash
content
Higher
heating
value
Volatile
matter
Fixed
carbon
Ciepło
spalania
Lower
heating
value
Wartość
opałowa
Wilgotność
Zawartość
popiołu
***
***
***
***
***
***
Soil enrichment
procedure
NS
***
***
NS
***
**
Species × Soil
enrichment procedure
**
***
***
**
***
***
Species
Gatunki
Nawożenie
Gatunki × nawożenie
* p < 0.01÷0.001
** p < 0.001÷0.0001
*** p < 0.0001
NS = not significant; NS = nieistotne
Części
lotne
Części
stałe
1.96±0.04 c
1.49±0.05 e
1.41±0.09 c
51.96±0.39 b
51.09±0.77 b
M
1.33±0.09 f
1.52±0.03 e
50.57±0.01 c
51.67±0.65 b
L
1.29±0.04 f
F
50.17±1.32 c
2.01±0.10 b
53.64±0.66 a
C
2.00±0.01 c
53.09±0.24 a
M
2.22±0.02 b
54.48±1.27 a
53.64±0.51 a
1.88±0.07 cd
2.08±0.31 a
1.82±0.01 d
2.67±0.15 a
2.16±0.01 b
1.68±0.04 d
4
%
Zawartość
popiołu
Ash content
F
L
Średnio wierzba
Mean willow
Wierzba
Willow
Średnio topola
Mean poplar
Topola
Poplar
53.33±0.37 a
47.22±0.61 c
C
Średnio robinia akacjowa
Mean black locust
46.65±0.41 e
46.38±0.08 e
L
Robinia
Black locust
M
47.77±0.28 d
C
48.08±0.02 d
3
2
1
F
%
Nawożenie
Wilgotność
Moisture
Gatunek
Species
Soil
enrichment
procedure
19.80±0.11 b
19.92±0.05 b
19.58±0.03 d
19.82±0.02 c
19.89±0.05 b
19.98±0.06 a
20.06±0.00 a
20.05±0.03 a
19.88±0.01 b
19.93±0.01 b
19.55±0.15 c
19.42±0.03 e
19.85±0.00 bc
19.53±0.04 d
19.40±0.03 e
5
MJ kg-1
Ciepło spalania
Higher heating
value
8.44±0.16 b
8.30±0.11 c
8.45±0.01 bc
8.32±0.16 c
8.69±0.27 b
7.95±0.15 c
8.11±0.05 cd
7.80±0.30 d
7.91±0.12 d
8.00±0.08 cd
9.17±0.12 a
9.22±0.11 a
9.14±0.00 a
9.34±0.04 a
8.97±0.08 ab
6
MJ kg-1
Wartość opałowa
Lower heating
value
78.15±0.52 a
78.05±0.16 b
78.35±0.31 b
77.28±0.46 cd
78.93±0.02 a
77.09±0.11 b
77.17±0.03 cd
76.86±0.05 d
77.16±0.04 cd
77.14±0.01 cd
77.09±0.52 b
77.47±0.03 c
76.01±0.05 e
77.24±0.05 cd
77.65±0.00 c
7
%
Częśći lotne
Volatile matter
Tabela 2. Właściwości termo-fizyczne biomasy robinii, topoli i wierzby po drugim roku wegetacji (% s.m.)
20.10±0.38 b
20.16±0.11 cd
20.02±0.22 cd
20.70±0.42 b
19.53±0.06 d
20.59±0.08 a
20.47±0.02 bc
20.63±0.07 bc
20.56±0.08 bc
20.69±0.07 b
20.47±0.31 a
20.27±0.03 c
21.08±0.07 a
20.07±0.05 cd
20.45±0.03 bc
8
%
Części stałe
Fixed carbon
Table 2. Thermophysical properties of black locust, poplar, and willow biomass after the second year of vegetation (% d.m.)
10
1.77±0.22 c
1.83±0.39
50.57±2.99
50.65±2.81
a, b, c… grupy jednorodne
a, b, c… homogenous groups
± odchylenie standardowe
± standard error of the mean
Średnio z doświadczenia
M mikoryza
M mycorrhiza
F nawożenie mineralne
F mineral fertilization
L lignina
L lignin
C kontrola
C control
2.08±0.59 a
1.88±0.29 b
M
50.56±3.28
L
1.61±0.26 d
51.04±2.87
50.43±2.51
C
4
F
3
2
Mean for experiment
Średnio
nawożenie
Mean
fertilization
1
Table 2. Continued
Tabela 2. Ciąg dalszy
19.78±0.23
19.80±0.29 b
19.83±0.21 a
19.74±0.16 c
19.74±0.26 c
5
8.52±0.54
8.55±0.52
8.46±0.60
8.52±0.65
8.55±0.45
6
77.44±0.74
77.57±0.40 b
77.08±1.04 c
77.23±0.24 c
77.91±0.80 a
7
20.39±0.41
20.30±0.15 b
20.58±0.48 a
20.44±0.36 a
20.22±0.53 b
8
11
12
Among the examined crops, the poplar produced the biomass with the highest
moisture content (53.64%) (table 2). The moisture content in the willow and black
locust biomass was significantly lower (2.54 and 6.42% less, respectively). The
soil amendment did not greatly influence the biomass moisture. The poplar biomass was characterised by the highest moisture content; the black locust had the
lowest moisture content in each variant of soil enrichment. The lowest content of
ash was found in the willow biomass (1.41% d.m.). It was much higher in the poplar and black locust (43 and 48% more, respectively). As regards the soil amendment as an experimental factor, the highest ash content was found in the crops
from the fertilized plots and the lowest one in the control. The poplar biomass was
characterised by the greatest higher heating value. Regarding the moisture content,
the greatest lower heating value was achieved by the black locust (9.17 MJ kg-1).
This value was 8% lower in the willow and 13% lower in the poplar wood chips.
Soil amendment did not significantly affect the lower heating value of the biomass.
The elemental composition of the black locust, poplar and willow biomass
after the second year of growth was extremely varied with respect to the analysed
factors and their mutual interactions (tables 3 and 4). The poplar biomass was
characterised by the highest content of carbon (on average 52.65% d.m.) and hydrogen (6.19% d.m.) but the lowest content of sulphur (0.032% d.m.) and chlorine
(0.005% d.m.). The sulphur content in the willow biomass was at the same level but
the chlorine content was slightly higher than in the poplar. The hydrogen content
in the black locust biomass was at the same level as in the poplar. The black locust
was characterised by the lowest carbon content and highest sulphur, chlorine, and
nitrogen content. The content of the latter was 2.3-fold higher than in the poplar
biomass and 2.7-fold higher than in the willow biomass. Mineral fertilization significantly increased the content of sulphur, nitrogen and chlorine in the black locust
biomass versus the two other species and in comparison to the soil enrichment.
Table 3. Significance of major effects and primary interactions for elementary
composition of biomass
Tabela 3. Istotność efektów głównych i interakcji pierwszego rzędu dla składu elementarnego
biomasy
Specification
Specyfikacja
Species
Gatunki
Soil enrichment procedure
Nawożenie
Species × soil enrichment procedure
* p < 0.01÷0.001
** p < 0.001÷0.0001
*** p < 0.0001
C
H
S
N
Cl
***
***
***
***
***
***
NS
***
***
***
***
***
***
***
***
13
Table 4. Elementary composition of black locust, poplar, willow biomass after the
second year of vegetation (% of d.m.)
Tabela 4. Skład elementarny biomasy robinii, topoli i wierzby po drugim roku wegetacji
(% s.m.)
Species
Soil
enrichment
procedure
S
N
Cl
51.66±0.13 c 6.28±0.02 a
0.059±0.000 b
1.16±0.01 c
0.019±0.001 b
L
49.80±0.00 e 6.14±0.03 b
0.058±0.002 b
1.21±0.01 b
0.016±0.001 d
F
50.76±0.14 d 6.13±0.03 b
0.073±0.002 a
1.70±0.05 a
0.024±0.001 a
M
51.03±0.27 d 6.24±0.00 b
0.057±0.001 b
1.14±0.00 c
0.017±0.001 c
Średnio robinia
akacjowa
50.81±0.55 c 6.20±0.05 a
0.061±0.005 a
1.30±0.18 a
0.019±0.003 a
C
53.14±0.09 a 6.30±0.09 a
0.028±0.001 c
0.55±0.01 e
0.005±0.001 f
L
52.52±0.07 b 6.15±0.06 b
0.032±0.001 b
0.57±0.00 e
0.003±0.000 g
F
52.56±0.31 b 6.15±0.01 b 0.035±0.001 ab
0.65±0.01 d
0.005±0.001 f
M
52.39±0.07 b 6.17±0.01 a
0.032±0.002 b
0.51±0.01 f
0.008±0.001 e
52.65±0.26 a 6.19±0.06 a
0.032±0.002 b
0.57±0.04 b
0.005±0.001 c
C
50.73±0.19 d 6.02±0.10 c 0.031±0.004 bc
0.45±0.02 g
0.008±0.001 e
L
50.77±0.06 d 6.15±0.01 b
0.029±0.001 c
0.56±0.01 e
0.004±0.001 g
F
51.58±0.22 c 6.17±0.04 b 0.037±0.003 ab
0.42±0.00 g
0.008±0.001 e
M
51.04±0.14 d 6.08±0.02 bc 0.034±0.001 b
0.48±0.01 f
0.005±0.001 f
51.03±0.29 b 6.11±0.06 b
0.032±0.003 b
0.48±0.04 c
0.006±0.001 b
51.85±1.06 a 6.20±0.15
0.039±0.015 b
0.72±0.34 c
0.010±0.006 b
L
51.03±1.20 c 6.15±0.04
0.039±0.014 b
0.78±0.32 b
0.007±0.006 c
F
51.63±0.81 b 6.15±0.03
0.048±0.018 a
0.92±0.59 a
0.012±0.009 a
M
51.49±0.70 b 6.16±0.07
0.041±0.012 b
0.71±0.32 c
0.010±0.006 b
0.042±0.015
0.78±0.40
0.010±0.007
Gatunek
Black
locust
Robinia
C
Topola
Mean poplar
Średnio topola
Willow
Wierzba
Mean willow
Średnio wierzba
Mean
fertilization
Średnio
nawożenie
H
Nawożenie
Mean black locust
Poplar
C
C
Mean for experiment
51.50±0.97
6.17±0.09
Legend as in table 2
Legenda tak jak w tabeli 2
In general, the chemical composition of the lignocellulosic biomass was very
varied in respect of the major experimental factors and their mutual interactions
(tables 5–8). The levels of soluble substances in cold and hot water as well as in
the organic dissolvent are presented in table 6. Lignin-based fertilization for the
black locust increased the quantity of the soluble compounds in both cold and hot
water and in ethanol, as compared to the control. The levels of the substances so-
14
luble in cold water increased by 0.5%; in the case of the substances soluble in hot
water, it increased by over 3%. In the black locust wood growing in the combination, to which lignin was applied, the quantity of ethanol-extracted substances also
increased by approx. 3%, as compared to the control. Moreover, the pH reaction
also changed slightly, reaching a level of 6.19. In the case of the poplar wood, as
compared to the control, mycorrhiza caused the level of the substances soluble in
hot water to rise by over 4.5%; for those soluble in cold water, the recorded rise
exceeded 1%. These changes did not significantly influence the overall quantity of
compounds soluble in ethanol, and the pH reaction for the poplar wood did not noticeably change either. Analysing the willow wood growing in the combination, to
which lignin and mineral fertilization were applied, in comparison to the control,
the quantity of the compounds soluble in cold water was reduced by 1.51–1.63%.
The combinations with mineral fertilization and lignin did not significantly influence the quantity of the substances soluble in hot water in the willow wood,
as compared to the control. The variations ranged from 0.68 to 0.95%. The same
change in the growing conditions for the willow caused the quantity of the soluble
substances dissolving in the organic dissolvent to decrease, ranging from 1.14%
to 1.49%, as compared to the control of the willow wood. Fertilization caused a
noticeable acidification of the wood. The wood pH reaction for the willow decreased by 1.14, as compared to the control, and reached 5.58.
Table 5. Significance of major effects and primary interactions for properties under
consideration
Tabela 5. Istotność efektów głównych i interakcji pierwszego rzędu dla badanych cech
Specification
Specyfikacja
Content of
substances
soluble in cold
water
Content of
substances
soluble in hot
water
Content of
substances
soluble in 96%
alcohol
pH of wood
Zawartość
Zawartość
Zawartość
substancji
substancji
substancji
rozpuszczalnych
rozpuszczalnych
rozpuszczalnych
w gorącej
w zimnej wodzie
w alkoholu 96%
wodzie
Species
Gatunki
Nawożenie
Species × soil enrichment
procedure
* p < 0.01÷0.001
** p < 0.001÷0.0001
*** p < 0.0001
pH drewna
***
***
***
***
***
***
*
NS
***
***
***
NS
15
Table 6. Content of substances soluble in water, and in ethanol, and pH of black
locust, poplar and willow biomass after the second year of vegetation (% of d.m.)
Tabela 6. Zawartość substancji rozpuszczalnych w wodzie, etanolu oraz pH biomasy robinii,
topoli i wierzby po drugim roku wegetacji (% s.m.)
Species
Gatunek
Content of
Content of
Content of
substances
soluble
substances
soluble
substances
soluble
Soil
in
cold
water
in
hot
water
in
96%
alcohol
pH of wood
enrichment
Zawartość
Zawartość
Zawartość
pH drewna
procedure
substancji
rozpuszczalnych
w zimnej wodzie
substancji
rozpuszczalnych
w gorącej wodzie
C
13.88±0.20 b
14.28±0.15 b
9.76±0.43 e
5.83±0.02
L
14.39±0.18 a
17.58±0.66 a
12.74±0.20 b
6.19±0.09
F
12.92±0.31 c
13.05±0.18 d
10.37±0.26 e
5.86±0.01
M
12.62±0.19 d
14.33±0.44 b
10.43±0.42 e
6.20±0.03
Średnio robinia
akacjowa
13.46±960 a
14.81±1.40 a
10.82±0.94 b
6.02±0.14 a
C
10.85±0.15 f
9.06±0.37 g
14.03±0.56 a
5.40±0.05
L
10.81±0.16 f
9.16±0.20 g
13.06±0.64 b
5.36±0.01
F
9.64±0.24 g
9.11±0.34 g
14.82±0.03 a
5.46±0.05
M
11.62±0.11 e
13.62±0.06 c
14.16±0.37 a
5.29±0.07
10.73±0.59 b
10.24±1.58 b
14.02±0.60 a
5.38±0.06 b
C
8.37±0.04 h
10.22±0.05 f
10.62±0.45 d
6.72±1.19
L
6.86±0.08 i
10.90±0.54 e
9.13±0.62 g
6.31±0.52
F
6.74±0.08 i
11.17±0.15 e
9.48±0.26 f
5.58±0.01
M
8.22±0.18 h
8.72±0.15 g
11.9±0.62 c
6.22±0.08
7.55±0.60 c
10.25±0.80 b
10.28±0.96 c
6.21±0.52 a
C
11.03±2.39 a
11.19±2.38 c
11.47±2.00 b
5.98±0.83
L
10.69±3.26 b
12.55±3.87 a
11.64±1.95 b
5.95±0.52
F
9.77±2.69 c
11.11±1.72 c
11.56±2.49 b
5.63±0.18
M
10.82±2.00 b
12.22±2.66 b
12.16±1.68 a
5.90±0.46
10.58±2.56
11.77±2.72
11.71±1.98
5.87±0.54
Black
locust
Nawożenie
Robinia
Mean black locust
Poplar
Topola
Mean poplar
Średnio topola
Willow
Wierzba
Mean willow
Średnio wierzba
Mean
fertilization
Średnio
nawożenie
Mean for experiment
substancji
rozpuszczalnych
w alkoholu 96%
16
Table 7. Significance of major effects and primary interactions for properties under
consideration
Tabela 7. Istotność efektów głównych i interakcji pierwszego rzędu dla badanych cech
Specification
Specyfikacja
Species
Gatunki
Nawożenie
Species × soil enrichment
procedure
Substances
soluble
in 1% NaOH
Cellulose
Holocellulose
Holoceluloza
Lignina
Lignin
Pentosans
***
***
*
***
**
***
*
***
***
*
***
*
**
***
NS
Substancje
rozpuszczalne
w 1% NaOH
Celuloza
Pentozany
* p < 0.01÷0.001
** p < 0.001÷0.0001
*** p < 0.0001
Analysing the change in the quantity of the soluble substances in 1% NaOH in
the black locust wood, it was noticeable that the lignin applied to the soil substantially increased the quantity of these compounds, by almost 5%, in comparison to
the control (table 8). Mycorrhiza did not influence the quantity of the substances
soluble in alkalis in the black locust wood. Mineral fertilization caused the content of such substances to increase by 2.57% in comparison to the black locust
growing in the control treatment. Mycorrhizal vaccination caused the cellulose
content to rise slightly, by 1.79%, in the black locust wood, as compared to the
control. Neither the lignin nor mineral fertilization induced significant changes in
the values of the major wood components, as compared to the quantity of cellulose
in the control black locust wood. The mycorrhiza caused slight changes in the
content of holocellulose (an increase of 3.58%), lignin (a decrease of 0.6%) and
pentosans (an increase of 0.82%) in comparison to the control.
In the case of the poplar wood, versus the control, lignin and mycorrhiza, as
well as mineral fertilization, did not have any stronger impact on the modifications in the content of the base soluble substances (table 8). The quantity of these
compounds ranged from 35.58% to 36.49%. There were no substantial changes in
the content of the remaining key components i.e., cellulose, lignin, holocellulose
and pentosans, in comparison to the poplar wood growing in the control treatment.
The cellulose content ranged from 36.72% to 37.67%; the content of lignin varied
from 25.10% to 26.66%; holocellulose content was from 67.91% to 69.83%, and
the content of pentosans ranged from 20.46% to 20.80%.
17
Table 8. Content of substances soluble in alkalines, and cellulose, holocellulose, lignin
and pentosans in black locust, poplar, willow biomass after the second year of vegetation (% d.m.)
Tabela 8. Zawartość substancji rozpuszczalnych w alkaliach, celulozy, holocelulozy, ligniny
i pentozanów w biomasie robinii, topoli i wierzby po drugim roku wegetacji (% s.m.)
Species
Gatunek
Black
locust
Robinia
Substances
Soil
soluble in 1%
enrichment
NaOH
procedure Substancje
Nawożenie rozpuszczalne
w 1% NaOH
Pentosans
Pentozany
L
38.75±0.44 a
35.91±0.64 d
65.86±0.56 c 22.07±0.18 c 20.60±0.28
F
36.45±0.10 b
36.10±0.23 c
67.59±0.24 b 24.67±0.19 c 21.07±0.22
M
33.79±0.34 c
38.33±0.79 b
70.25±0.62 a 21.83±0.82 b 21.51±0.41
35.72±1.66 a
36.72±0.88 b
67.59±1.40 b 22.75±0.97 c 20.97±0.40 a
C
36.27±0.43 b 36.89±0.72 bc
L
35.95±0.16 b 37.42±0.29 bc 67.91±0.60 b 25.10±0.52 b 20.61±0.17
F
36.49±0.46 b
36.72±0.84 c
M
35.58±1.17 b
37.67±0.57 b 69.83±0.64 ab 25.14±0.21 b 20.80±0.10
36.08±0.58 a
37.17±0.55 b
68.18±0.95 b 25.84±0.63 a 20.60±0.21 b
C
33.23±0.63 c
41.69±0.93 a
71.06±1.16 a 24.37±0.58 b 20.10±0.33
L
33.13±0.37 c
41.74±0.59 a
68.09±0.65 b 21.78±0.72 c 20.51±0.51
F
33.58±0.56 c
40.77±0.73 a
67.30±1.93 bc 24.31±0.20 b 19.76±0.21
M
33.29±0.90 c
40.75±0.82 a
69.36±1.05 ab 24.57±0.33 b 20.48±0.55
33.31±0.46 b
41.24±0.66 a
68.95±1.42 a 23.76±0.98 b 20.21±0.40 c
Mean poplar
Mean willow
Średnio wierzba
Średnio
nawożenie
Lignin
Lignina
66.67±1.07 c 22.43±0.31 c 20.69±0.48
Średnio topola
Mean
fertilization
Holoceluloza
36.54±0.43 c
Topola
Willow
Holocellulose
33.88±0.31 c
Średnio robinia
akacjowa
Wierzba
Celuloza
C
Mean black locust
Poplar
Cellulose
66.96±0.47 c 26.45±0.32 a 20.53±0.45
68.02±0.74 b 26.66±0.12 a 20.46±0.23
C
34.46±1.45 b 38.38±2.57 ab 68.23±2.28 b 24.41±1.78 b 20.44±0.45 b
L
35.94±2.45 a 38.36±2.66 ab 67.29±1.19 b 22.98±1.65 d 20.57±0.31 b
F
35.51±1.49 a
37.86±2.27 b
67.64±1.09 b 25.21±1.11 a 20.43±0.60 b
M
34.22±1.29 b
38.92±1.54 a
69.81±0.79 a 23.85±1.60 c 20.93±0.57 a
35.03±1.81
38.38±2.23
Mean for experiment
68.24±1.70
24.11±1.70
20.59±0.52
Analysis of the content of the key components in the willow wood growing
in the treatments amended with lignin, mycorrhizal vaccination and mineral fertilization, as compared to the content of these components in the willow wood
18
growing in the control treatment, showed similar levels of the determined values
(table 8). The content of the substances soluble in 1% NaOH in the willow wood
growing in the amended soil ranged from 33.13% to 33.58%; the cellulose content
ranged from 40.75% to 41.74% and the holocellulose content varied from 67.30%
to 69.36%. In comparison to the control, the lignin content decreased by 2.59% in
the willow wood growing in the lignin-amended treatment. The content of pentosans in the willow lignocellulosic biomass ranged from 19.76% to 20.51%. The
results indicated that the best properties, in the context of further use of the resource for industrial purposes, were found in the willow wood chips, which contained
the most cellulose (41.24% on average), and was characterised by a fairly high
level of pentosans (20.97%) and a low level of lignin (23.76%).
Discussion
The research indicated that out of the three species, the black locust produced
the biomass which was the most valuable solid fuel owing to the lowest moisture
content and the greatest lower calorific value. Other research has also shown that
the moisture content in black locust biomass at harvest may be lower than in other
species of woody crops and maybe approximate 40% [Gasol et al. 2010]. The
moisture content of willow biomass is ca 50% [Tharakan et al. 2003; Keoleian,
Volk 2005; Stolarski 2009]. On the other hand, the biggest problem concerning
the quality of poplar biomass grown in short rotations is the high moisture at
harvest, which can be as high as 60% [Kauter et al. 2003; Tharakan et al. 2003].
The average ash content in poplar biomass estimated during the cited studies was
1.85–2.13% d.m., which is congruent with the results achieved in this research.
The quality of poplar fuel is expected to improve with an extension of rotations,
since one of the factors determining the quality of poplar biomass is the content
of bark in the biomass, which depends on the age of the crops and diameter of
the stems. A higher content of bark directly raises the content of ash and other
elements undesirable in fuel [Klasnja et al. 2002; Guidi et al. 2008]. A similar relationship between the ash content and the quantity of the bark in stems of different
age and stem diameter exists in the case of willow plants [Stolarski 2009]. The
bark and wood ratio in willow and poplar biomass directly influences the quality
of fuel. Adler et al. [2005] state that bark is characterised by a much higher content of elements, including N, P, K, Mg, Ca, Cd, Pb, Co and Zn, than wood. This
characteristic affects the combustion process and may accelerate the corrosion
of boilers. The ash content in willow biomass directly depends on the content of
alkaline elements; the lower their content in the fuel, the less ash generated during
the combustion process [Tharakan et al. 2003]. In the research presented here, the
greatest lower calorific value was recorded for the black locust biomass, which
also contained higher levels of sulphur, nitrogen and chlorine than the willow and
poplar biomass. Other research shows that poplar and willow biomass is characte-
19
rised by low levels of nitrogen and sulphur, as well as chlorine [Gasol et al. 2009;
Tharakan et al. 2003; Stolarski 2009].
The chemical composition of wood depends not only on the tree species but also
on a number of other factors including age, tree organ, harvest time and growing
conditions [Prosiński 1984; Baeza, Freer 2000; Rowell et al. 1997; Waliszewska,
Prądzyński 2002]. For example, the cellulose content in 1-, 2- and 3-year-old
willow stems increases with crop age [Prosiński 1984; Stolarski et al. 2011].
In the experiment presented, the analysed black locust, poplar and willow wood
had grown for two years. The willow wood was characterised by the highest content of cellulose: from 40.75% to 41.75% (41.24% on average). The wood of the
2-year-old poplar and 2-year-old black locust contained on average approx. 37%
of cellulose. Willow wood, owing to its fairly high cellulose content, may be used
as a substitute raw material for the production of chipboards, fibre-boards, paper
and cardboard [Mc Adam 1987; Surmiński 1990; Warboys, Houghton 1993]. The
two-year-old black locust, poplar, and willow wood examined in this study with
respect to their content of cellulose, holocellulose and lignin, may be used as
a substitute raw material for the production of cardboard or chipboards. The chemical composition of lignocellulosic biomass is extremely important when crops
are grown for cellulose production and, possibly, for ethanol production. Young
wood of both coniferous and deciduous trees generally contain less cellulose and
lignin than mature wood [Rowell et al. 1997; Wróblewska et al. 2009; Komorowicz
et al. 2009]. This tendency was proven in the research conducted by Guidi et al.
[2009], who stated that poplar wood originating from two-year rotations contained
less cellulose (42.5%) and more lignin (22%) than wood from four-year rotations,
where the respective percentages were 51.6% and 19%. González-Garćia et al.
[2010] found a cellulose content of 43.2% d.m., hemicellulose equal to 26.6%
d.m. and lignin reaching 21.3% d.m. in biomass from five-year rotations of poplar.
In bamboo shoots, the content of substances soluble in water and alkali decreased,
while that of cellulose, lignin and pentosans increased in older plants [Rowell
et al. 1997].
In this study, the tested soil enrichment with lignin, mineral fertilization and
mycorrhiza did not result in significant changes in the content of the primary components in the lignocellulosic biomass from the three plant species. The content of
the analysed types of biomass corresponds to a fairly good quality of lignocellulosic matter earmarked for power generation purposes. According to Waliszewska
[2002], the growing conditions of willows, especially the level of environmental
pollution, influence the content of hydrocarbons. Pentosans as well as hexosans
are hydrolysed into monosaccharides. Consequently, aqueous solutions are formed, which contain 2–4% of monosaccharides, and which are a valuable resource
for ethanol and yeast production [Kin 1980]. The growing conditions altered in
the discussed experiment by adding lignin, fertilizers or mycorrhiza to the soil,
did not significantly influence the content of pentosans in the 2-year-old wood
20
of the black locust, poplar and willow. A fairly high content of pentosans and the
content of substances soluble in 1% NaOH in young wood indicates the presence
of low-polymerised hydrocarbons, which means that this material may be used for
bioethanol production. The wood of all the three species contained large quantities
of substances soluble in cold water (from 9.77% to 11.03% on average) and hot
water (from 11.11% to 12.55% on average). A high percentage of 96%-ethanol
extracted substances (from 11.47% to 12.16%) was also reported. This confirms
low levels of lignified tissue on young crops. On the other hand, this implies its
particular suitability for biofuel production.
The black locust biomass was characterised by the lowest moisture content
and the greatest lower heating value and ash content. The poplar, on the other
hand, was characterised by the highest carbon and hydrogen content as well as
the greatest higher heating value. However, due to its highest moisture content it
had the poorest lower heating value. The willow biomass was characterised by the
highest cellulose and holocellulose content. Sound knowledge of the composition
of the lignocellulosic biomass helps us to define objectives for further research
and specify its best industrial use. The soil enrichment technologies for lignocellulosic biomass plantations may influence the content of key biomass components
and their properties. In the experiment presented, the most substantial positive
changes in the content of the cellulose, lignin and holocellulose in the black locust
wood were induced by mycorrhiza. In respect of the willow wood, only lignin
application to the soil slightly decreased (approximately by 2.6%) the content
of lignin in the lignocellulosic biomass. Owing to the high content of cellulose,
pentosans and substances soluble in 1% NaOH, this biomass may be used for biofuel production. Research on the physicochemical composition of lignocellulosic
biomass proves that the climatic and soil conditions and agricultural techniques
under which the experiment was conducted are beneficial. Furthermore, the results indicate the need to continue research on SRWC in order to evaluate the
quality of biomass derived from respective treatments in longer rotations, as they
seem to be some of the key factors influencing the physicochemical composition
of lignocellulosic biomass. This is immensely important as this may allow us to
improve the efficiency and capacity of biofuel production and the manufacture of
industrial products.
Acknowledgement
This work has been financed by the strategic program of the National (Polish) Centre for
Research and Development (NCBiR): “Advanced Technologies for Energy Generation.
Task 4: Elaboration of Integrated Technologies for the Production of Fuels and Energy
from Biomass, Agricultural Waste and other Waste Materials”.
21
References
Adler A., Verwijst T., Aronsson P. [2005]: Estimation and relevance of bark proportion in
a willow stand. Biomass and Bioenergy 29 [2]: 102–113
Baeza J., Freer J. [2000]: Chemical Characterization of Wood and Its Components. In: Wood
and Cellulosic Chemistry, 2nd ed. (Ed. DNS Hon, N Shiraishi). Dekker, New York, USA:
275–384
Gasol C.M., Brun F., Mosso A., Rieradevall J., Gabarrell X. [2010]: Economic assessment
and comparison of acacia energy crop with annual traditional crops in Southern Europe.
Energy Policy 38: 592–597
Gasol C.M., Gabarrell X., Anton A., Rigola M., Carrasco J., Ciria P., Rieradevall J.
[2009]: LCA of poplar bioenergy system compared with Brassica carinata energy crop
and natural gas in regional scenario. Biomass and Bioenergy 33 [1]: 119–129
González-Garćia S., Gasol C.M., Gabarrell X., Rieradevall J., Teresa Moreira M., Feijoo G. [2010]: Environmental profile of ethanol from poplar biomass as transport fuel
in Southern Europe. Renewable Energy 35: 1014–1023
Gross R., Leach M., Bauen A. [2003]: Progress in renewable energy. Environment International 29: 105–122
Guidi W., Piccioni E., Ginanni M., Bonari E. [2008]: Bark content estimation in poplar
(Populus deltoides L.) short-rotation coppice in Central Italy. Biomass and Bioenergy
32 [6]: 518–524
Guidi W., Tozzini C., Bonari E. [2009]: Estimation of chemical traits in poplar short-rotation
coppice at stand level. Biomass and Bioenergy 33 [12]: 1703–1709
Hanoka T., Liu Y., Matsunaga K., Miyazawa T., Hirata S., Sakanishi K. [2010]: Benchscale production of liquid fuel from woody biomass via gasification. Fuel Processing
Technology 91: 859–865
International Energy Agency [2004]: Energy technologies for a sustainable future – transport. http://www.smartgridnews.com/artman/uploads/1/Energy_Technology_for_Sustainable_Transport_IEA__2005.pdf (15 September 2012)
Kauter D., Lewandowski I., Claupein W. [2003]: Quantity and quality of harvestable biomass from Populus short rotation coppice for solid fuel use – a review of the physiological
basis and management influences. Biomass and Bioenergy 24: 411–427
Keoleian G.A., Volk T.A. [2005]: Renewable energy from willow biomass crops: life cycle
energy, environmental and economic performance. Critical Review in Plant Science 24:
385–406
Kin Z. [1980]: Hemicelulozy – chemia i wykorzystanie [Hemicellulose – chemistry and use].
PWRiL, Warszawa, Poland
Klasnja B., Kopitovic S., Orlovic S. [2002]: Wood and bark of some poplar and willow clones
as fuelwood. Biomass and Bioenergy 23 [6]: 427–432
Komorowicz M., Wróblewska H., Pawłowski J. [2009]. Skład chemiczny i właściwości
energetyczne biomasy z wybranych surowców odnawialnych [Chemical composition and
properties of biomass from selected renewable sources]. Ochrona Środowiska i Zasobów
Naturalnych 40: 402–410
Kopetz H., Jossart J.M., Ragossnig H., Metschina C. [2007]: European Biomass Statistics
2007. European Biomass Association (AEBIOM), Brussels, Belgium: 1–73
Manalula F., Meincken M. [2009]: An evaluation of South African fuelwood with regards to
calorific value and environmental impact. Biomass and Bioenergy 33: 415–420
22
Mc Adam J.H. [1987]. The pulp potential and paper properties of willow with reference to
Salix viminalis. Irish Forestry 44 [1]: 32–42
Prosiński S. [1984]: Chemia drewna [Chemistry of wood]. PWRiL, Warsaw, Poland
Rowell R.M., Han J.S., Bisen S.S. [1997]: Changes in fiber properties during the growing
season. In: Paper and Composite from Agro-based Resources (Ed. R. M. Rowell, R. A.
Young, J. K. Rowell). Lewis Publishers, Boca Raton, New York, London, Tokyo: 23–37
Somerville Ch., Youngs H., Taylor C., Davis S.C., Long S.P. [2010]: Feedstocks for Lignocellulosic Biofuels. Science 329: 790–792
Stolarski M., Szczukowski S., Tworkowski J., Klasa A. [2008]: Productivity of seven clones
of willow coppice in annual and quadrennial cutting cycles. Biomass and Bioenergy 32:
1227–1234
Stolarski M.J. [2009]: Agrotechniczne i ekonomiczne aspekty produkcji biomasy wierzby krzewiastej (Salix spp.) jako surowca energetycznego [Agrotechnical and economic
aspects of biomass production from willow coppice (Salix spp.) as an energy source].
Wydawnictwo Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie, Olsztyn, Poland
Stolarski M.J., Szczukowski S., Tworkowski J., Wróblewska H., Krzyżaniak M. [2011]:
Short rotation willow coppice biomass as an industrial and energy feedstock. Industrial
Crops and Products 33: 217–223
Surmiński J. [1990]: Właściwości techniczne i możliwości użytkowania drewna wierzbowego [Technical properties and possibilities of willow wood use]. In:Wierzby Salix alba L.,
Salix fragilis L [Willows Salix alba L., Salix fragilis L.] (Ed. S. Białobok). PWN,
Warszawa–Poznań, Poland: 317–328
Tharakan P.J., Volk T.A., Abrahamson L.P., White E.H. [2003]: Energy feedstock characteristics of willow and hybrid poplar clones at harvest age. Biomass and Bioenergy 25 [6]:
571–580
Vaezi M., Passandideh-Fard M., Moghiman M., Charmchi M. [2012]: On a methodology
for selecting biomass materials for gasification purposes. Fuel Processing Technology 98:
74–81
Waliszewska B. [2002]: Impact of growth condition on the carbohydrate content in selected
varieties of shrubby willows. In: Proceedings of National Symposium, Biological reactions of trees to industrial pollution, Kórnik, Poland: 715–723
Waliszewska B., Prądzyński W. [2002]: Basic chemical analysis and polymerization level of
cellulose in the year-old and the multiyear shrubby willows growing by the A-2 motorway.
In: Proceedings of National Symposium, Biological reactions of trees to industrial pollution, Kórnik, Poland: 725–732
Warboys I., Houghton T. [1993]: The potential cellulosic for UK agriculture. Agricultural
Engineering 48 [2]: 54–57
Wróblewska H., Komorowicz M., Pawłowski J., Cichy W. [2009]: Chemical and energetic
properties of selected lignocellulosic raw materials. Folia Forestalia Polonica Series B
[40]: 67–78
23
DENDROMASA POZYSKANA Z GRUNTÓW ROLNICZYCH
JAKO SUROWIEC PRZEMYSŁOWY I ENERGETYCZNY
Streszczenie
Dendromasa to naturalny, odnawialny surowiec o szerokim i wszechstronnym zastosowaniu. W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie biomasą drzewną pozyskiwaną
w krótkich rotacjach zbioru z upraw polowych. Dlatego też podjęto badania oceny termofizycznych i chemicznych właściwości dwuletnich pędów wierzby, topoli oraz robinii
akacjowej w zależności od sposobu nawożenia gleby. Doświadczenie zlokalizowane było
w północno-wschodniej Polsce w miejscowości Samławki (53°59’ N, 21°04’ E) na glebie mało przydatnej do tradycyjnej produkcji rolniczej pod uprawy konsumpcyjne czy
paszowe. Biomasa robinii charakteryzowała się najniższą wilgotnością oraz najwyższą
wartością opałową i zawartością popiołu, natomiast topola – najwyższą zawartością węgla
i wodoru i najwyższym ciepłem spalania; jednakże ze względu na maksymalną wilgotność posiadała najniższą wartość opałową. Najwięcej celulozy oraz holocelulozy miała
biomasa wierzby. Najkorzystniejsze zmiany w zawartości celulozy, ligniny i holocelulozy
w drewnie robinii miało zastosowanie mikoryzy. W przypadku drewna wierzbowego, jedynie zastosowanie ligniny do nawożenia obniżyło w niewielkim stopniu zawartość ligniny
w pozyskanej dendromasie.
Słowa kluczowe: wierzba, topola, robinia akacjowa, skład chemiczny, właściwości fizykochemiczne,
uprawy w krótkich rotacjach
DOI: 10.12841/wood.1644-3985.029.02
Krzysztof Michalec, Anna Barszcz, Radosław Wąsik 1
JAKOŚĆ SUROWCA ŚWIERKOWEGO POCHODZĄCEGO
Z DRZEWOSTANÓW NATURALNYCH
(REZERWATOWYCH) I DRZEWOSTANÓW PEŁNIĄCYCH
FUNKCJE GOSPODARCZE
W artykule przedstawiono wyniki analizy porównawczej jakości surowca świerkowego pochodzącego z drzewostanów naturalnych (rezerwatowych) i drzewostanów
pełniących funkcje gospodarcze. W analizach uwzględniono również wady drewna
wpływające na wyniki klasyfikacji badanego surowca oraz częstotliwość ich występowania. Wytypowane do badań drzewostany zlokalizowane były w terenach górskich: w Sudetach i Karpatach. W wyniku przeprowadzonych analiz stwierdzono,
że nieznacznie lepsze pod względem jakości surowca drzewnego są w porównaniu
z drzewostanami naturalnymi (rezerwatowymi) drzewostany pełniące funkcje gospodarcze.
Słowa kluczowe: świerk pospolity, jakość surowca drzewnego, drzewostany naturalne, drzewostany gospodarcze, wady drewna
Wprowadzenie
Drzewostany naturalne (rezerwaty ścisłe) rozwijają się i funkcjonują bez aktywnego wpływu człowieka lub z jego niewielką ingerencją, mającą za zadanie zachowanie danego obiektu (rezerwaty częściowe). Zadaniem gospodarza takiego
terenu jest zapewnienie niezakłóconego i spontanicznego rozwoju lasu. Z kolei,
w drzewostanach pełniących funkcje gospodarcze, rozwój drzew i drzewostanów
kształtowany jest przez leśnika, w celu wyprodukowania surowca drzewnego jak
najlepszej jakości, z uwzględnieniem funkcji ochronnych, jakie pełni las względem środowiska naturalnego.
Krzysztof Michalec, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Kraków, Polska
Anna Barszcz, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Kraków, Polska
Radosław Wąsik, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Kraków, Polska
26
Krzysztof Michalec, Anna Barszcz, Radosław Wąsik
Celem niniejszego opracowania jest określenie zróżnicowania struktury jakościowej surowca świerkowego oraz analiza częstotliwości występowania wad
drewna z uwzględnieniem ich struktury rodzajowej w drzewostanach naturalnych
(rezerwatowych) i drzewostanach pełniących funkcje gospodarcze.
Materiały i metody
Badania prowadzono na dwudziestu powierzchniach próbnych położonych na
terenie Sudetów i Karpat: dziesięć powierzchni zlokalizowano na obszarze rezerwatów lub parków narodowych, natomiast pozostałe dziesięć – w drzewostanach pełniących funkcje gospodarcze. Drzewostany, w których zlokalizowano powierzchnie próbne, charakteryzowały się zróżnicowanymi cechami taksacyjnymi,
przy czym w obu grupach starano się dobierać drzewostany podobne parami, pod
względem siedliskowego typu lasu, wieku i wysokości n.p.m. (drzewostan gospodarczy i odpowiadający mu drzewostan naturalny) (tabela 1). Każda powierzchnia
badawcza stanowiła 5 lub 10% w odniesieniu do powierzchni całego drzewostanu, w zależności od jego zróżnicowania [Zasady… 2003]. Powierzchnie lokalizowano w miejscach najbardziej reprezentatywnych dla warunków panujących
w drzewostanie pod względem cech taksacyjnych i jakości świerkowego surowca
drzewnego.
Na powierzchniach badawczych prowadzono następujące prace: pomiar pierśnicy każdego drzewa o grubości co najmniej 7 cm, pomiar wysokości każdego
drzewa, ocenę jakości pierwszej od podstawy drzewa sekcji pnia z podaniem klasy lub grupy jakościowo-wymiarowej [Zasady… 2003], odnotowanie rodzajów
i odmian wad drewna.
Zgodnie z zasadami klasyfikacji drewna wielkowymiarowego iglastego
w odziomkowej części pnia o długości 4 metrów (mierzonej od podstawy drzewa)
zwracano uwagę na obecność i średnice sęków. Pozostałe wady uwzględniono na
całej widocznej długości pnia. W przypadku występowania surowca bardzo dobrej
jakości, klasyfikowano je jako drewno specjalne WB1 [Ramowe warunki… 1993,
Warunki techniczne… 2002, PN-91/D-95018 1993]. Łącznie pomiarowi i dalszej
analizie poddano 2560 drzew pochodzących z drzewostanów naturalnych i 2910
drzew z drzewostanów gospodarczych.
Analizując następnie uzyskany materiał badawczy, strzałę każdego drzewa
rosnącego na powierzchni próbnej poddano symulowanemu podziałowi na sekcje
odpowiadające klasom i grupom jakościowo-wymiarowym, dającym się teoretycznie wyodrębnić z całej długości danej sztuki aż do wierzchołka. Rozpoczynano
przy tym od klasy jakościowo-wymiarowej drewna oszacowanej w odziomkowej
części pnia (sekcja 1) w czasie badań terenowych. W pracach tych wykorzystano
tablice Radwańskiego [Roczniki… 1956], dające możliwość określenia wymiarów i miąższości poszczególnych części strzał świerka na podstawie pierśnicy
i wysokości drzew, brano też pod uwagę odnotowane w terenie wady drewna.
27
Jakość surowca świerkowego pochodzącego z drzewostanów naturalnych (rezerwatowych)...
Tabela 1. Charakterystyka badanych drzewostanów
Table 1. Characteristic of stands
Nr
pow.
Plot
number
Nadleśnictwo, Leśnictwo,
Oddział
Forest Division, Forest
District, Unit
Siedliskowy
typ lasu
Forest site
Skład
gatunkowy
i wiek
Species
composition
and age
Wys. n.p.m.
[m]
Altitude
[m]
Group stands
6
1
2
3
4
5
1
Tatrzański Park Narodowy
Morskie Oko, 47 a
BWG
10 Św 125
1230–1700
2
Tatrzański Park Narodowy
Łysa Polana
84 b
LG
7 Św 110
2 Św 85
1 Św 130
1030–1170
3
Babiogórski Park
Narodowy
26 h
BG
7 Św 170
2 Św 120
1 Św 70
1220–1420
4
Babiogórski Park
Narodowy
20 a
BG
7 Św 174
2 Św 234
1 Św 124
1280
5
Jeleśnia
Korbielów
107 c
rez. „Pilsko”
BWG
5 Św 201
3 Św 171
1 Św 126
1 Św 44
1230
6
Jeleśnia, Sopotnia Górna
181 b, rez. „Pod Rysianką”
LMG
7 Św 182
3 Bk 182
1050
7
Węgierska Górka,
Skrzyczne 117 f
BMG
6 Św 201
4 Bk 201
1150
8
Wisła, Bukowiec
149 h, rez. „Bukowiec”
LMG
9 Św 167
1 Jd 167
595
9
Wisła
Barania
138 g
LMG
6 Św 202
1 Bk 202
3 Św 112
1040
LMG
2 Św 207
1 Bk 207
2 Św 157
1 Jd 157
1 Bk 107
1 Św 107
1 Bk 257
1 Św 257
1070
10
Wisła
Barania
137 g
rez. „Barania Góra”
Grupa
drzewostanów
naturalne
natural
28
Table 1. Continued
1
2
3
4
5
11
Śnieżka, Karpacz 292 f
BWG
10 Św 128
880–1160
12
Zdroje, Piekiełko 318 d
LG
9 Św 148
1 Md 148
800
13
Śnieżka, Karpacz 282 f
BG
10 Św 138
750–920
14
Ujsoły
Gawłowskie
14 b
BWG
7 Św 193
2 Św 128
1 Św 58
1150
15
Jeleśnia, Sopotnia Dolna
154 f
BWG
8 Św 183
2 Św 93
1230
16
Węgierska Górka,
Skrzyczne 32 b
LMG
10 Św 114
1105
17
Węgierska Górka,
Skrzyczne 120 a
BMG
10 Św 110
1125
18
Ujsoły, Bendoszka
224 j
LMG
10 Św 123
900
19
Węgierska Górka,
Sikorczane 198 a
LMG
10 Św 109
950
20
Węgierska Górka, Przysłup
126 c
LMG
10 Św 142
1074
6
gospodarcze
economic
BWG – bór wysokogórski, BG – bór górski, LMG – las mieszany górski, LG – las górski, BMG –
bór mieszany górski, Św – świerk, Bk – buk, Jd – jodła, Md – modrzew
BWG – alpine coniferous forest, BG – mountain coniferous forest, LMG – mountain mixed forest,
LG – mountain forest, BMG – mixed mountain coniferous forest, Św – spruce, Bk – beech, Jd – fir,
Md – larch
Uzyskany materiał podzielono na dwie grupy: dane z rezerwatów i z drzewostanów gospodarczych. Dla tak pogrupowanego materiału dokonano zestawień
średnich miąższości pojedynczych sekcji pni w klasach i grupach jakościowo-wymiarowych surowca. Następnie obliczono łączną masę drewna w poszczególnych klasach i grupach jakościowo-wymiarowych. Wartości te odnoszono do
masy drewna ogółem (dla każdej z obu badanych grup drzewostanów osobno). Na
tej podstawie obliczono udziały procentowe poszczególnych klas i grup surowca
w obu grupach drzewostanów. Materiał analizowano również, biorąc pod uwagę
strukturę rodzajową wad poprzez określenie udziałów procentowych drzew obarczonych wadami drewna odnotowanych w danej grupie drzewostanów). W kolejnym etapie przeprowadzono analizy statystyczne z wykorzystaniem programu
Statistica 8.0. Ze względu na brak rozkładu normalnego u badanych zmiennych
zastosowano test nieparametryczny U-Manna-Whitney’a. Testem tym przeanalizowano istotność różnic między udziałem poszczególnych sortymentów w drze-
29
wostanach naturalnych a udziałem tych samych sortymentów w drzewostanach
gospodarczych. Podobne analizy przeprowadzono między udziałem drzew z wadami w obu grupach drzewostanów.
Wyniki i dyskusja
W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że drzewa rosnące w drzewostanach naturalnych (rezerwaty) charakteryzują się większą średnią wysokością,
grubością (d1.3 i d1/2) oraz miąższością pojedynczych drzew w porównaniu z analogicznymi cechami świerków z drzewostanów gospodarczych (tabela 2). Również przeciętna miąższość sekcji drewna wielkowymiarowego (WA, WB1, WB,
WC, WD) oraz średniowymiarowego (S4) pojedynczych drzew pochodzących
z drzewostanów naturalnych przeważała nad miąższością sekcji drzew z drzewostanów gospodarczych. Pomimo tego zasobność drzewostanów naturalnych
była mniejsza (355,91 m3/ha) niż drzewostanów gospodarczych (380,27 m3/ha).
W przypadku drewna niektórych sortymentów (WC, WD, S2, S4) stwierdzono wysokie współczynniki zmienności. Wynika to ze znacznego zróżnicowania
wymiarowego drewna tych klas i grup, gdyż do klasy WC lub WD może należeć drewno zarówno o małych średnicach, jak i drewno o dużych średnicach.
Z kolei do drewna grupy S2 lub S4 mogą być przeznaczane wierzchołkowe
części pnia, o małej miąższości, a także wadliwe odziomkowe części pnia,
o znacznych rozmiarach. Przy wadliwej budowie pnia czasami w całości
przeznacza się go do grupy S2 lub S4. Z tego wynikają tak znaczne różnice
w wartościach minimalnych i maksymalnych, a także wysokie współczynniki
zmienności.
Analizując strukturę jakościowo-wymiarową badanego surowca, ustalono,
że udział drewna klas lepszej jakości w miąższości badanego surowca ogółem
(WA i WB) jest wyższy w drzewostanach gospodarczych w porównaniu z rezerwatowymi. Skutkuje to mniejszym udziałem w tej grupie drewna klasy WC
(rys. 1). Jedynie udział drewna klasy WB1 był stosunkowo wysoki w drzewostanach naturalnych. W drzewostanach gospodarczych wykazano także przewagę
udziału drewna średniowymiarowego (grupy S1, S2 i S4) w porównaniu do drzewostanów naturalnych. Test statystyczny U-Manna-Whitney’a nie wykazał jednak różnic statystycznie istotnych w strukturze jakościowej surowca między drzewostanami naturalnymi i gospodarczymi (U = 49,00, Z = -0,0378, p = 0,9698).
12
7
0,57
0,19
0,25
0,07
0,07
0,04
0,02
0,04
0,01
0
0,04
12
7
0,62
0,18
0,32
0,05
0,05
0,04
0,02
0,04
0,01
0
0,04
H [m]
D½ [cm]
WA [m3]
WB1 [m ]
WB [m3]
WC [m ]
WD [m3]
S1 [m ]
S2 [m3]
S3 [m3]
S4 [m ]
M [m3]
Vbk [m ]
3
8,17
0,01
5,33
0,11
0,65
0,17
6,53
8,14
6,20
6,78
7,29
51
45
90
natural
naturalne
7,31
0,01
4,28
0,08
1,27
0,21
6,44
7,27
4,42
2,99
6,37
47
46
77
economic
gospodarcze
Maksimum
Maximum
natural
1,34
0,01
0,31
0,05
0,04
0,09
2,14
1,25
0,91
2,70
2,16
22
26
34
0,96
0,01
0,17
0,05
0,04
0,11
1,08
0,81
0,72
1,00
2,07
20
24
31
economic
1,3
0,0
0,5
0,0
0,0
0,0
1,8
1,2
0,8
1,6
1,4
8,7
7,8
14,4
natural
0,9
0,0
0,3
0,0
0,0
0,0
1,2
0,8
0,4
0,8
1,1
6,9
6,7
11,3
economic
gospodarcze
Standard deviation
Odchylenie standardowe
naturalne gospodarcze naturalne
Average
Średnia
96,5
88,1
180,3
37,9
82,3
38,9
85,2
94,1
85,9
58,3
63,6
39,6
30,6
41,8
natural
98,4
87,8
193,4
25,8
100,0
34,5
107,9
104,9
51,8
78,3
50,9
34,8
28,5
36,3
economic
gospodarcze
Coefficient of variation
naturalne
Współczynnik
zmienności
D1.3 – pierśnica; H – wysokość; WA, WB, WC, WD – surowiec świerkowy klas WA0, WB0, WC0 i WD; WB1 – surowiec świerkowy odpowiadający
drewnu specjalnemu – łuszczarskiemu; S1, S2, S3, S4, M – surowiec świerkowy grup S10, S2, S3, S4 i M; D1/2 – średnica w połowie długości, Vbk
– miąższość drewna bez kory
D1.3 – breast height diameter; H – tree height; WA, WB, WC, WD – spruce timber of classes WA0, WB0, WC0 and WD; WB1 – spruce timber
corresponding to special (matchwood) timber; S1, S2, S3, S4, M – spruce timber of groups: S10, S2, S3, S4 and M; D1/2 – mid-diameter, Vbk – tree
volume inside bark
3
3
3
3
10
7
economic
D1.3 [cm]
natural
gospodarcze
naturalne
Minimum
Minimum
Features
of trees
Cechy
drzew
Table 2. Descriptive statistics of variables studied
Tabela 2. Statystyka opisowa badanych zmiennych
30
31
Objaśnienia jak w tabeli 2.
Explanations as in table 2.
Rys. 1. Struktura jakościowo-wymiarowa surowca w zależności od grupy
drzewostanów
Fig. 1. The quality-dimensional structure of timber depending on the stand group
Biorąc pod uwagę wady, które wpływały na wynik klasyfikacji jakościowo-wymiarowej, stwierdzono, że udział drzew o obniżonej przez wady jakości był
większy w drzewostanach naturalnych (70,38%) w porównaniu z drzewostanami
gospodarczymi (67,13%). Główną wadą, która w obu grupach drzewostanów decydowała o jakości surowca, były sęki, przy czym drzew z tą wadą było więcej
w drzewostanach naturalnych (rys. 2). Również drzewa ze zgniliznami (zgnilizny
zewnętrzne i wewnętrzne) i krzywiznami jednostronnymi wykazały tu większy
udział. Natomiast w drzewostanach gospodarczych wykazano większy, niż w naturalnych, udział drzew z martwicami (zarośniętymi i otwartymi) oraz krzywiznami dwu- i wielostronnymi. Test U-Manna-Whitney’a nie wykazał różnic statystycznie istotnych w udziale drzew obarczonych omawianymi rodzajami wad
między drzewostanami naturalnymi a gospodarczymi (U = 55,00, Z = -0,3283,
p = 0,7427).
32
s – sęki, g – guzy, mz – martwice zarośnięte, mo – martwice otwarte, zz – zgnilizna zewnętrzna,
zw – zgnilizna wewnętrzna, k1 – krzywizna jednostronna, k2 – krzywizna dwu- i wielostronna, pkn
– pęknięcia, w – wielordzenność, ow – owady
s – knots; g – burls; mz – overgrown necrosis; mo – open necrosis; zz – outer rot; zw – heart rot;
k1 – single curvature; k2 – double and many-sided curvature; pkn – shakes; w – multiple pith; ow
– insects
Rys. 2. Struktura wad drewna w zależności od grupy drzewostanów
Fig. 2. The structure of wood defects depending on the stand group
Niniejsze badania wykazują, że lepsze pod względem jakości surowca świerkowego są na badanym terenie drzewostany gospodarcze. Jednym z czynników
mogącym wpłynąć na różnice jest sposób zagospodarowania. W drzewostanach
naturalnych (rezerwatowych) zaleca się ograniczenie pozyskania drewna, a ewentualne zabiegi należy prowadzić w sposób zapewniający maksymalną ochronę
gleby i roślinności [Rozporządzenie… 1992]. Drzewostany te pełnią liczne funkcje ochronne (m.in. wodochronne, glebochronne), a wszelkie czynności w nich
prowadzone są ukierunkowane na zapewnienie ich trwałości. Z kolei w drzewostanach gospodarczych jednym z celów gospodarki leśnej jest uzyskanie dobrej jakości surowca drzewnego dzięki odpowiednim zabiegom pielęgnacyjnym
[Zasady Hodowli… 2000]. Pozytywne skutki tego typu zabiegów potwierdzono,
33
prowadząc niniejsze badania i wykazując, że udział drewna klas wysokiej jakości (WA, WB) przeważał w drzewostanach gospodarczych. Podobne rezultaty
uzyskała w wyniku swoich badań Barszcz [2004a]. Autorka, analizując jakość
surowca z górskich drzewostanów świerkowych, również odnotowała większy
udział drewna klas lepszej jakości (WA i WB) w drzewostanach gospodarczych
w porównaniu z naturalnymi. W efekcie niniejszych badań wykazano ponadto
w drzewostanach naturalnych większy, niż w drzewostanach gospodarczych,
udział wysokiej jakości drewna klasy WB1. Na taki rezultat mógł wpłynąć surowiec świerkowy pochodzący z rezerwatu „Bukowiec” (Nadleśnictwo Wisła,
Leśnictwo Bukowiec). Świerki rosnące w drzewostanach tego regionu charakteryzują się smukłymi i pełnymi strzałami i cechują się wysoką produkcyjnością [Pracownicy… 2002]. Badania prowadzone w tym rejonie przez Chomicz
i Niemtura [2008] za pomocą tomografu wykazały jednak bardzo częstą obecność zgnilizny wewnętrznej odziomkowej. Wykrycie tej wady było bardzo trudne
lub niemożliwe do stwierdzenia w trakcie szacunków brakarskich prowadzonych
w ramach niniejszych badań.
Pomimo większych średnich rozmiarów pojedynczych drzew (pierśnic, wysokości, miąższości) w drzewostanach naturalnych stwierdzono mniejszą zasobność
(355,91 m3/ha) niż w drzewostanach gospodarczych (380,27 m3/ha). Podobne wyniki uzyskała w efekcie swoich badań Barszcz [2004a], która również odnotowała
mniejszą zasobność w drzewostanach naturalnych (227,6 m3/ha) w porównaniu
z drzewostanami gospodarczymi (338,5 m3/ha). W drzewostanach naturalnych
drzewa osiągają większe rozmiary, jednak z obserwacji terenowych wynika,
że rosną one w większym rozproszeniu, co wpływa na opisane powyżej różnice.
Różny sposób zagospodarowania przekłada się również na częstotliwość
występowania wad w obu grupach drzewostanów. W badanych drzewostanach
naturalnych stwierdzono więcej drzew o obniżonej przez wady jakości surowca
(70,38%) w porównaniu z drzewostanami gospodarczymi (67,13%). Biorąc pod
uwagę występowanie zgnilizny pnia, podobne wartości, tj. około 80% świerków
o obniżonej przez wady jakości w drzewostanach naturalnych i około 65%
w drzewostanach gospodarczych, odnotowała także Barszcz [2004b].
Większość naturalnych drzewostanów świerkowych zlokalizowana jest
w wyższych położeniach górskich. Drzewostany te są trudno dostępne, a pozyskanie surowca jest tam utrudnione i kosztowne. Poza tym świerk tworzy długie korony, a pnie trudno się oczyszczają, przez co drewno jest silnie usęcznione
i mało użyteczne [Barzdajn 1996]. Obserwacje te potwierdzono w niniejszych
badaniach. W drzewostanach naturalnych wystąpiło więcej, niż w drzewostanach
gospodarczych, drzew z sękami, których rozmiar wpłynął na wynik klasyfikacji
surowca. Wykazano również większy udział drzew ze zgniliznami. Częste występowanie zgnilizn w drzewostanach naturalnych wynika prawdopodobnie z wieku
tych drzewostanów i postępującego w nich procesu naturalnego rozpadu. Zależność tę zaobserwował Krzan [1985] w Tatrzańskim Parku Narodowym, wykazu-
34
jąc, że w lasach rezerwatowych wraz z wiekiem wzrasta udział drzew porażonych
przez zgnilizny. Z kolei zabiegi prowadzone w drzewostanach gospodarczych
mogą skutkować mechanicznym uszkadzaniem pni drzew i, jak wykazały badania, zwiększoną ilością martwic. Podobne tendencje zaobserwowała w swoich
badaniach Barszcz [2004a, 2004b] – podkreślając duży udział drzew z sękami
i zgniliznami w drzewostanach naturalnych, natomiast z martwicami w drzewostanach gospodarczych.
Wnioski
Z przeprowadzonych analiz można wysnuć następujące stwierdzenia i wnioski:
1. Drzewostany gospodarcze badanego terenu charakteryzują się lepszą jakością
surowca świerkowego i wyższą zasobnością w porównaniu z drzewostanami
naturalnymi (rezerwatowymi). Drzewostany rezerwatowe z reguły zlokalizowane są w wyższych położeniach górskich lub w terenach trudno dostępnych
i głównym ich zadaniem jest pełnienie funkcji ochronnych, często służą też
celom naukowym. Jednym z podstawowych zadań zabiegów prowadzonych w drzewostanach gospodarczych jest produkcja dobrej jakości surowca
drzewnego, co znalazło potwierdzenie w uzyskanych wynikach badań.
2. W drzewostanach rezerwatowych odnotowano, w porównaniu do tych,
gdzie prowadzono zabiegi gospodarcze, większą częstotliwość występowania drzew silnie usęcznionych oraz opanowanych przez zgnilizny. W drzewostanach tych częsta obecność tego typu wad jest nieunikniona, gdyż tu
nie prowadzi się żadnych cięć pielęgnacyjnych, które kształtowałyby jakość
surowca. Zgnilizny wynikają z zaawansowanego wieku tych drzewostanów,
a silne usęcznienie ma związek z lokalizacją, z reguły w wyższych położeniach górskich.
3. Niepokojący jest stwierdzony na badanym terenie znaczny udział drzew
z martwicami w drzewostanach gospodarczych. Biorąc pod uwagę, że świerk
pospolity jest gatunkiem bardzo wrażliwym na uszkodzenia mechaniczne
pnia, co skutkuje szybkim rozwojem zgnilizn, w drzewostanach świerkowych
należałoby zalecać ostrożność podczas prac pielęgnacyjnych i pozyskaniowych.
Literatura
Barszcz A. [2004a]: Zróżnicowanie wartości użytkowej surowca drzewnego lasów Żywiecczyzny. Sprawozdanie końcowe z badań. Projekt badawczy nr P06L 015 21. Maszynopis.
AR, Kraków
Barszcz A. [2004b]: Wpływ wybranych czynników zewnętrznych na występowanie zgnilizny
w drewnie świerka pospolitego (Picea abies [L.] Karst.) w drzewostanach Beskidu Śląskiego i Żywieckiego. Drewno-Wood, vol. 47 [172]: 51–68
35
Barzdajn W. [1996]: Zróżnicowanie wewnątrz populacyjne świerka [Picea abies (L.) Karst.]
w górach. Sylwan [3]: 39–45
Chomicz E., Niemtur S. [2008]: Występowanie zgnilizny odziomkowej w wybranych drzewostanach świerkowych Karpat Zachodnich. Leśne Prace Badawcze, vol. 69 [3]: 233–241
Krzan Z. [1985]: Występowanie zgnilizny odziomkowej świerków w drzewostanach regla
dolnego Tatrzańskiego Parku Narodowego. Parki Narodowe i Rezerwaty. T. 6 [2]: 5–15
Pracownicy Nadleśnictwa Wisła [2002]: Świerk istebniański. Las Polski [20]: 18
Ramowe warunki techniczne na drewno łuszczarskie [1993]: GDLP, Warszawa
Roczniki Nauk Leśnych [1956]: B. Radwański. Tablice miąższości i zbieżystości dłużyc, kłód
i wyrzynków strzały dla świerka. Książka I i II. Prace nr 161. Ministerstwo Leśnictwa.
IBL, PWRiL, Warszawa
Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa
[1992]: w sprawie szczegółowych zasad i trybu uznawania lasów za ochronne oraz szczegółowych zasad prowadzenia w nich gospodarki leśnej. Dz. U. Nr 67, Poz. 337
Warunki techniczne – Drewno wielkowymiarowe iglaste [2002]: Załącznik nr 1 do zarządzenia DGLP, Warszawa
Zasady Hodowli Lasu [2000]: DGLP, Warszawa
Zasady sporządzania szacunku brakarskiego drzew na pniu z zastosowaniem technik
elektronicznego przetwarzania danych [2003]: Załącznik do zarządzenia Nr 25 DGLP,
Warszawa
List of standards
PN-91/D-95018 [1993]: Drewno średniowymiarowe. Wyd. Normalizacyjne, Warszawa
THE QUALITY OF SPRUCE TIMBER FROM NATURAL STANDS
(FOREST RESERVES) AND MANAGED STANDS
Summary
The aim of this study is to determine the variation in the quality structure of spruce timber
and to analyze the frequency of occurrence of trees with defects, including the generic
structure of defects in natural stands (forest reserves) and stands serving economic functions.
The study was conducted on 20 experimental plots located within the Sudeten and
Carpathian Mountains, of which 10 were located in the area of nature reserves or national
parks while the other 10 - in the managed stands (table 1). Each experimental plot constituted 5 or 10% of the area of the whole stand, depending on its differentiation.
The following tasks were performed on the experimental plots: measurement of the
breast-height diameter of each tree with a thickness of at least 7 cm, measurement of the
height of each tree, quality assessment of the first section of the tree stem from the base
along with its quality-dimensional class or group [Zasady... 2003], recording the types and
varieties of wood defects.
36
Analyzing the research material obtained, the stem of each tree growing on an experimental plot underwent simulated division into sections corresponding to the quality-dimensional classes and groups which could theoretically be distinguished over the whole length of a stem up to its top. The starting point was the quality-dimensional class noted
in the butt section of the stem (section 1) during the field research. The above tasks included the use of the Radwański tables [Roczniki... 1956], which allowed the determination
of the size and volume of each section of the spruce stems on the basis of the breast-height
diameter and the tree height; wood defects, noted in field, were also taken into account.
The material obtained was divided into 2 groups: data from the reserves and from the
managed stands. For the material grouped in this way, juxtapositions were made of the
average volumes of individual stem sections in quality-dimensional classes and groups of
timber and the percentages of particular timber classes and groups in the two stand types
were calculated. The material was also analyzed taking into account the generic structure
of defects (percentages of individual trees with particular wood defects in a given group
of stands). The next stage consisted in statistical analyses using the U-Mann-Whitney test,
examining the significance of differences in the quality-dimensional structure of timber
and the share of trees with defects between the two groups of stands.
The research showed that trees growing in natural stands (reserves) are characterized
by a greater average height, thickness (d1.3 and d1/2) and volume of individual trees as compared with the same characteristics of spruce trees in managed stands (table 2). Also, the
average volume of the large-sized timber sections (WA, WB1, WB, WC, WD) of individual trees from natural forests dominated the volume of tree sections in managed stands.
Despite that fact, the volume/ha of natural forest stands was lower (355.91 m3/ha) than of
managed stands (380.27 m3/ha).
By analyzing the quality-dimensional structure of the examined timber it was found
that the proportion of higher quality timber classes (WA and WB) prevails in the managed stands, resulting in a lower share of the WC class of timber (fig. 1). Only the share
of WB1 class timber prevails in natural stands. The managed stands also showed a larger
share of medium-sized timber (groups S1, S2 and S4) as compared to natural forests. The
U-Mann-Whitney statistical test, however, did not show statistically significant differences in the timber quality structure between the natural and the managed stands (U = 49.00,
Z = -0.0378, p = 0.9698).
Subsequently, it was found that the proportion of trees with quality reduced by defects
was higher in the natural stands (70.38%) as compared to the managed stands (67.13%).
The main defect, decisive for timber quality, were knots (in both groups of stands). The
share of trees with that defect was greater in the stands of natural origin (fig. 2). In those
stands, there was also a larger share of trees with rot (external and internal rot) and unilateral curvatures. The managed stands demonstrated a share of injuries (overgrown and open
ones) as well as bilateral and multilateral curvatures that was higher than in the natural
stands.
In conclusion, it should be emphasized that in the managed stands within the research
area a higher quality of spruce timber as well as higher volume/ha were noted as compared
to the natural stands (forest reserves). Stands in forest reserves are generally located at
higher altitudes in the mountains or hardly accessible areas; their main purpose are protective functions, they also serve the purposes of research. In the stands situated in forest
37
reserves there was reported, in comparison with the managed stands, a higher incidence of
trees with a large number of knots and highly affected by rot. A frequent presence of such
defects is inevitable there because this group does not undergo any management cuts that
would improve timber quality. Moreover, the presence of rot is due to the advanced age
of these stands. At the same time, what is disturbing is a large share of trees with injuries
in the managed stands. Given that spruce is very sensitive to mechanical damage of the
stem, resulting in rapid development of rot, caution is recommended during forest management work and harvesting in spruce stands.
Keywords: spruce timber quality, natural stands, managed stands, wood defects
DOI: 10.12841/wood.1644-3985.041.03
Zbigniew Karaszewski, Mariusz Bembenek, Piotr S. Mederski,
Anna Szczepańska-Alvarez, Rafał Byczkowski, Anna Kozłowska,
Klaudiusz Michnowicz, Wojciech Przytuła, Dieter F. Giefing1
IDENTIFYING BEECH ROUND WOOD QUALITY –
DISTRIBUTIONS AND THE INFLUENCE OF
DEFECTS ON GRADING
The classification of round wood depends on the defects and other morphological
features of a tree trunk. Various tree species growing on different forest sites and
in different conditions eventually present a wood quality influenced by said factors.
The objective of this paper was to find out: 1) the distribution of round wood quality classes of beech in three different site conditions and 2) the frequency of the
defects influencing timber grading. The research was carried out on 15 different
sample plots of three site quality classes, on which 1389 beech logs were classified
according to the existing grading scheme. The most common timber quality (by volume) was WC0 and then in decreasing order: WD, WB0 and WA0, in proportions
of: 15:10:4:1. This order was the same for the assortments obtained from the trees
in all the analysed site quality classes. The most frequent defects influencing wood
quality were knots, among which sound knots were in the majority. The proportion
of the appearance of knots was 7:3:2 for sound knots, unsound and dead knots, as
well as covered knots, respectively. Sweep, red heart and scars were of a similar
frequency to sound knots, approx. 20%. Double pith, shakes, rot, top diameter and
spiral grain were of a minor influence on WQCs and together amounted to approx.
10% of the frequency among other defects.
Keywords: wood defects, beech timber quality classes, wood grading, Fagus sylvatica
Zbigniew Karaszewski, Wood Technology Institute, Poznan, Poland
Mariusz Bembenek, Poznan University of Life Science, Poland
Piotr S. Mederski, Poznan University of Life Science, Poland
Anna Szczepańska-Alvarez, Poznan University of Life Science, Poland
Rafał Byczkowski, Anna Kozłowska, Klaudiusz Michnowicz, Wojciech Przytuła,
Poznan University of Life Science, Poland
Dieter F. Giefing, Poznan University of Life Science, Wood Technology Institute, Poland
40
Z. Karaszewski, M. Bembenek, P. S. Mederski, A. Szczepańska-Alvarez, R. Byczkowski i in.
Introduction
Studies related to wood quality focus on three different stages: 1) in the forest –
standing tree quality, 2) after harvesting – round wood, and 3) in the saw-mill –
processed wood. At each stage, timber quality is assessed using different measures.
The first field of research mentioned above mostly looks into the influence of
silviculture treatments and other operations strictly related to forest management.
Hein et al. [2007] suggest that the best assortment proportions can be obtained
when thinning from above is applied and ca. 50 trees per hectare are selected
as final crop trees. Additionally, some research is dedicated to the juvenile stage
of stands and its quality [Pazdrowski et al. 1995; Spława-Neyman et al. 1995;
Tomczak and Jelonek 2012]. It was found that the structure and density of wood
are related to the social position of a tree in the forest as well as the age of the
forest stand [Pazdrowski, Spława-Neyman 1993].
Studies within the second area (round wood quality) consider local classification schemes and are based on wood defects which are very well described in
literature [Giefing, Pazdrowski 2012]. There is also more detailed work related
to 1) softwood: knots and inner decay [Michalec 2007], and 2) hardwood: knots
and red heart in particular [Jednoralski 1993; Knoke 2002; Trenčiansky, Kolenka
2006; Wernsdörfer et al. 2006]. However, there is a visible lack of a complete study concerning the influence of a complete set of wood characteristics on
classification. These characteristics (local standards) heavily influence the further
use of wood and the final price of each log. A set is described as a standard with
a precisely explained way of measuring each defect.
The assessment of sawn wood is the most accurate when compared with the
two above-mentioned classification stages. Timber without bark, sawn into boards
and beams, bears all the defects, which could be hidden in round wood or standing
trees. Studies on the quality of sawn products obtained from primarily classified
round wood were carried out by Dziewanowski and Jorasz [1972].
In the study presented here, the primal wood defects impacting the quality
class of round wood (logs) in mature beech stands were under scrutiny. It was
hypothesised that some wood defects have a stronger impact on the graded quality
class of beech logs than others. This hypothesis was derived from results in earlier
studies, which showed that certain pine and spruce defects appear more often than
others, and therefore have a stronger impact on lowering round wood quality classes [Krotkievič 1955, after Giefing 1999; Taffe 1955, after Giefing 1999].
In general, wood quality can be understood as wood having both positive and
negative features influencing its further use [Jackowski 1972]. Jozsa and Middleton [1994] interpreted wood quality in a similar way stating that wood quality
may be understood as the suitability of wood for a particular end-use. These two
interpretations contribute to a definition or an understanding of wood quality, but
are common among wood science researchers rather than foresters.
Identifying beech round wood quality – distributions and the influence of defects on grading
41
The objective of this research was to find out the proportions (in volume) of
four quality classes of beech round wood graded according to the existing classification scheme. Additionally, the study aimed to classify beech wood defects
to find out which of them have the biggest impact on a particular class of round
wood. This analysis was also conducted with regards to different site quality classes (SQCs) on which the trees had grown.
This article is a summary of a comparative study based on the results obtained during the completion of four Master thesis projects carried out between 2010–2012 [Kozłowska 2010; Byczkowski 2011; Michnowicz 2011;
Przytuła 2012].
Materials and methods
Beech logs were classified by foresters in 4 different Forest Districts: Gryfino,
Karwin, Trzebież (Regional Directorate of the State Forests (RDSF) Szczecin)
and Jugów (RDSF Wrocław). Data were collected from logs harvested on 15 sample plots, in mature beech stands (91–160 years-old). The plots were of different
site qualities, I–IV (out of five) (table 1). The sample plots were divided into
3 groups/classes according to site quality: 1 – site quality I (the most productive),
2 – site quality II, and 3 – site qualities III and IV (the least productive).
1389 logs of 1029.32 m3 were classified in sections, each section given one of
the 4 quality classes (WA0 – the best, WB0, WC0 and WD – the worst) according
to grading rules respected by the Director General of the Polish State Forests, based on the Polish Standard PN-92/D-95008 [Appendix A]. Eleven wood defects
were taken into consideration during the research: sound knots, unsound and dead
knots, covered knots/bumps, shakes, sweep, spiral grain, scars, double pith, red
heart, rot, and minimum top diameter (dt). Three features strictly connected to
branching – sound knots, unsound and dead knots as well as covered knots/bumps
– were considered together or as separate types of knots. The participation of each
group was calculated and this was done for each SQC.
The defects were divided into groups and then assessed due to the frequency
of their presence on the logs. Additionally, the volume of wood declassified by the
particular defect was considered. If two or more defects appeared on a log, the one
which declassified the wood to the lowest class was taken into account. Afterwards, those parameters were analysed with regards to each SQC. Eventually, in class
1 there were 565 logs and 403.13 m3 of wood, in class 2 and 3: 370 and 454 logs
with 246.48 m3 and 379.71 m3 of wood, respectively.
Data analysis was carried out with the use of the analysis of variance
(ANOVA) in order to find the significant differences between the means of the
examined variables. On the basis of ANOVA, an average percentage of the volume of the particular wood class (WA0, WB0, WC0 and WD) was compared.
Additionally, the same division for each class was made for each SQC. Furt-
42
hermore, the percentage of wood volume having a particular defect was analysed. This was done for each site quality class. The mean percentage of defect
occurrence in each SQC was also compared. In the case that the conditions of
ANOVA were not fulfilled, the Kruskal-Wallis test was used, or, when data did
not show homogeneity of variance, the analysis was then carried out on the basis
of transformed data using arcsin(√x). Furthermore, when the significant differences between the means were determined, Tukey’s test for group means was used.
All the calculations were done with the use of Statistica 10 software. In the statistical hypothesis testing, the probability of error was 5% (p-value of 0.05).
Table 1. Characteristics of stands
Tabela 1. Opis drzewostanów
Forest
subdistrict
Forest code
Oddział
Wiek
Gryfino
Klęskowo
148 c
160
56
76.60
Gryfino
Klęskowo
168 b
145
49
44.62
Forest district
Nadleśnictwo
Leśnictwo
Age
Gryfino
Klęskowo
186 a
135
Trzebież
Siedlice
807 j
125
Trzebież
Siedlice
824 b
110
Trzebież
Siedlice
838 b
Jugów
Nowa Wieś
193 b
Karwin
Solecko
198 j
121
Site quality
Bonitacja
Number of
Volume [m3]
classified logs
Liczba dłużyc
Miąższość
48
59.26
200
100.07
126
83.08
91
86
39.50
130
107
85.69
25
13.12
I
Karwin
Solecko
229 a
145
26
17.09
Trzebież
Siedlice
827 b
130
133
108.81
Trzebież
Siedlice
851 l
120
79
21.77
Jugów
Nowa Wieś
113 d
110
Jugów
Nowa Wieś
119 a
110
7h
125
112 b
130
Karwin
Ustronie
Jugów
Nowa Wieś
Total
II
127
104.98
III
247
202.35
52
45.50
IV
28
26.88
1389
1029.32
Results and discussion
Wood quality classes
A significant majority of all the logs (82%) were of WC0 and WD classes (with
no distinction in site quality classes). In most cases, the wood defects caused a log
or a log section to be classified as WC0. Logs of a higher class, WB0 and WA0,
amounted to 15% and 3% (by volume), respectively. The distribution of wood
43
quality classes (WQCs) in total, as well as in each of the 3 SQCs, showed the same
sequence: WC0>WD>WB0>WA0 with the proportions 15:10:4:1, respectively
(fig. 1). This is the typical distribution of round wood (not only beech) classified
according to current Polish standards (based on PN-92/D-95008). However, there
was a variation in the percentage of WQC in each SQC, but it was not statistically
different. The biggest share of the best WA0, and concurrently the worst WD,
was in SQC3. For this SQC, which was nominally recognized as the poorest site
among those examined, the distribution of WQC was the most even. In SQC1,
WB0 was in the highest percentage (20%). The lower the SQC, the more WD was
classified, though this trend was not observed in the other WQCs (fig. 1).
The participation of WQCs was different in each SQC. The occurrence
of WC0 was more frequent than WA0 and WB0, and in both cases it was statistically different. This was observed in each SQC. At the same time, WD was
more frequent than WA0 in each SQC. Statistical differences were not observed
between WQCs of WA0 and WB0, WB0 and WD, as well as WC0 and WD in all
the analysed beech stands (fig. 1). The biggest differences between the WQCs were
in SQC1.
Fig. 1. The occurrence of WQCs in SQCs (by volume)
Rys. 1. Udział miąższościowy klas jakości drewna w zależności od bonitacji
The analysis of variance indicated no significant differences between the mean
percentage of wood volume of WB0 and WD in SQC1, WA0 and WB0 in SQC2,
as well as WA0 and WB0, WB0 and WD, WC0 and WD in SQC 3 (table 2).
44
Table 2. Results of Tukey’s tests for WQCs (by volume)
Tabela 2. Wyniki testu Tukey’a miąższościowego udziału klas jakości drewna
WQC
Klasy jakości
drewna
WA0
WB0
WC0
WD
SQC1 (ANOVA: p= 0.0000)
I klasa bonitacji (ANOVA: p= 0,0000)
WA0
0.0018*
WB0
0.0018*
WC0
0.0002*
0.0002*
WD
0.0002*
0.1602
0.0002*
0.0002*
0.0002*
0.1602
0.0003*
0.0003*
SQC2 (ANOVA: p= 0.0000)
II klasa bonitacji (ANOVA: p= 0,0000)
WA0
0.6263
WB0
0.6263
WC0
0.0002*
WD
0.0009*
0.0002*
0.0009*
0.0002*
0.0094*
0.0002*
0.0094*
0.0418*
0.0418*
SQC3 (ANOVA: p= 0.0005)
III z IV klasy bonitacji (ANOVA: p= 0,0005)
WA0
0.4768
WB0
0.4768
WC0
0.0009*
0.0089*
WD
0.0046*
0.0592
0.0009*
0.0046*
0.0089*
0.0592
0.6988
0.6988
Wood defects
The classification of round wood is inextricably linked to the measurement
of a particular single wood defect. The presented research was strictly focused
on whether the appearance of a particular wood defect was bigger than allowed in
the regulations, not on the size of any examined characteristic.
The occurrence of wood defects shows that they can have a vital impact on
the WQC, or they can appear rarely. In this study, the most frequent (with a vital
impact) were (in decreasing order): knots, sweep, scars and red heart, and significantly less frequent were: shakes, spiral grain, double pith, rot and minimum top
diameter (fig. 2).
Knots
The frequency of defects obtained for beech within the presented research showed
that knots were the most common and influenced the timber quality. The proportion of knots were 7:3:2 for sound knots, unsound and dead knots, as well as covered knots, respectively. Although, knots were in the majority, they amounted to
45
only 34%, significantly less than in pine (69.4%) [Krotkiewič 1955, after Giefing
1999] or spruce (87.0%) [Taffe 1955, after Giefing 1999].
This difference definitely depends on the tree species. However, it is worth
mentioning that thinning has a negative impact on natural pruning, leading to
a bigger number of knots [Ikonen et al. 2003].
Special attention was paid to knots, analysed as one merged group which
included all types: sound, unsound and dead, and covered. This approach revealed
the significant impact of knots on the WQC. Its frequency of occurrence (606) was
significantly greater than the occurrence of other defects (fig. 2).
Fig. 2. The frequency of the occurrence of wood defects
Rys. 2. Częstość występowania wad drewna
This could be specific for the beech species where the impact of knots on the
quality class of the timber is much lower than in alder wood. Giefing et al. [2012]
emphasised the great importance of knots, which substantially decreased the quality of assortments in alder stands: 80% of the defects belonged to the group of
knots altogether. This is much more than in beech logs, where only 34% of the
defects were in the same category. Nonetheless, in both studies, sound knots (out
of all the knots) most frequently caused the degrading of the wood, at a level of
35% and 19% in alder and beech, respectively. Knots are a natural consequence
of branching. It seems that in beech trees, and consequently in round wood, other
defects are more common than in alder trees. Growing alder creates straight stems
(often comparable to the stems of coniferous trees), and as a consequence, knots
are the major defects influencing grading. In contrast, in beech assortments, sweep
46
is the most common single wood characteristic impacting the grading (fig. 2). This
confirms that the stems of beech trees are more irregular and curved in comparison with alder.
Living branches leave sound knots, but dead branches (after natural pruning)
can also leave sound knots if they are not rotten stubs that are on a tree for a long
time. It seems that beech branches are not very vulnerable to the development
of some defects. Wernsdörfer et al. [2005] found that only 17 out of 616 branch
scars initiated red heart formation.
The appearance of knots depends also on the time of occlusion. It was proved
by Hein [2008] that larger branches show a significantly longer occlusion time.
This can lead to a higher risk of fungal infections – the longer the occlusion time,
the longer the exposure to biotic threat [Giefing 1999].
A detailed analysis of the defect of the group of all knots together revealed no
statistical difference in the occurrence of knots between SQCs (fig. 3). However,
a significant difference between the occurrence of the sound knots vs. the unsound
and dead knots was noted on all the examined forest sites. Additionally, in SQC3,
the frequency of the sound knots was significantly higher than the frequency of
the covered knots (fig. 3). In fact, covered knots are as frequent as other knots, but
under layers of yearly wood increments. Ikonen et al. [2003] recognise covered
knots as those which lower the quality of sawn timber.
F(4, 36)=,53630, p=,70993
90%
80%
occurence - udział [%]
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
-10%
1
2
3
SQC - bonitacja
s
d
c
Fig. 3. The frequency of the occurrence of three types of knots in SQCs (s – sound
knots, d – dead and unsound knots, c – covered knots)
Rys. 3. Częstość występowania trzech typów sęków w klasach bonitacji (s – sęki zdrowe,
d – sęki nadpsute i zepsute, c – sęki zarośnięte (guzy))
47
Sweep
Taking into account all types of defects, in most cases the analysis of variance
did not reveal significant differences between the defects in the 3 analysed SQCs
(table 3).
Table 3. Anova test results for wood characteristics
Tabela 3. Wyniki analizy wariancji dla wad drewna
Sound
knots
ANOVA
Sęki
zdrowe
p_value for
the number
of defects
occurring 0.3989
p dla
częstości
wystąpienia
wady
p_value for
the wood
volume
with
0.4798
defects
Dead and
unsound Covered
knots/
Shakes
knots
Sęki
buckles Pęknięcia
Scars
Double pith
Zabitki
Wielordzenność
Red heart
Sweep
Fałszywa
Krzwizna
twardziel
nadpsute
i zepsute
Guzy
0.3714
0.5541
0.5043
0.7184
0.7979
0.0573
0.0096*
0.4042
0.5731
0.4869
0.0223*
0.9943
0.3115
0.0211*
p dla
miąższości
z wadami
Considering wood volume with a particular defect, only the sweep on the
logs in SQC1 was statistically different (and bigger) than the sweep on the logs
in the other SQCs (table 4). Sweep was the only defect with a statistically proved difference within two assessments – the number of defects occurring and the
volume with defects. In this case, sweep was a frequent cause of downgrading,
because there were no other defects that could lower the timber class more than
sweep.
Table 4. Tukey’s test results for sweep in the 3 SQCs
Tabela 4. Wynik testu Tukey’a dla krzywizny w 3 klasach bonitacji
SQCs
Klasy bonitacji
1
1
2
0.0183*
2
0.0183*
3
0.0241*
3
0.0241*
0.9990
0.9990
48
In general, sweep in the presented research was an important factor in the
degrading of the timber. With 356 observations, it was the second most frequent
defect in the beech wood. In mountain beech stands Barszcz [2011] noted a very
high percentage of sweep (74.7%), which was higher than in the presented results,
where the share of the defect was at a level of 27%, 14% and 15% in SQC1,
2 and 3, respectively. Barszcz and Rutkowska [1999] suggest that to analyse spruce sweep, 248 samples should be taken to achieve a result at a confidence level
of 5%. Similar coefficients of variance are not available for beech wood defects.
In general, sweep is recognised as a defect influencing timber quality. Tong and
Zhang [2008] point out that sweep limits the amount of quality sawlogs. Moreover, if sawlog has sweep, it raises the transport costs and lowers the productivity of processing. According to Rikala [2003, after Asikainen, Panhelainen 1970]
sweep is very often accompanied by spiral grain, and after sawing and drying
causes shakes and further sweep.
Rot and scars
The presence of wood decay was extremely marginal in the context of the results
obtained by Dardziński and Giefing [2010]. In the research by these authors, the
analysed spruce contained rot in more than half of the cut trees. Obviously, the
main reason for this was the different tree species – spruce, which is vulnerable
to rotting. The appearance of mechanical damage in beech trunks does not cause
such a wide rot area, though it is still commonly believed to be a risk to tree health
and a relevant factor in the declassing of logs. In contrast to this opinion, the study
results of artificially wounded beech trees [Križaj 1995] should be considered.
Two types of wounds were made: shallow and deep. Shallow wounding, which
is supposed to reflect mechanical damage during extraction, was eventually not
too much of a risk to tree health. The first change in the damaged and exposed
wood was dehydration and aeration, followed by abiotic and biotic discoloration,
and decay in the final stage. The author suggested that protective wood formed on
the surface of the exposed xylem, and after 5 years of exposure, the underlying
wood was still undamaged and could conduct water. However, these results are in
contrast to Knorr and Prien [1988, after Nill et al. 2011]. These authors analysed
the consequences of damage in a beech stand due to forest operations. 95% of the
wounds on the tree trunks caused deep rot. Damaged roots seem to be more resistant to rotting. In Schulz’s [1973] research, only 10% of the roots with damage
suffered further wood depreciation.
The grading carried out within this research indicated that scars after mechanical damage lowered the wood class in 303 logs. A significant difference was
noted in the frequency of the occurrence of scars between SQC2 and 3 (table 5).
An essential issue is that the wounds are mostly caused by careless harvesting
operations, both felling and wood extraction. The other matter of importance is
49
that those logs were predominately obtained from the butt end, the most valuable
part of tree bole. However, in the authors’ opinions, the scars should not be considered, as only one board (a side board) would completely contain that defect,
and it does not usually affect the deeper layers of a log. More dangerous could be
damage to the natural regeneration of beech after the final removal of the trees,
where 30–45% of young trees can be damaged after felling and skidding [Bembenek et al. 2011]. Due to the negative impact of mechanical wounds on remaining
trees, Karaszewski et al. [2013] suggested the proper selection of extraction and
logging methods.
Table 5. Tukey’s test results for the scars in the 3 SQCs
Tabela 5. Wynik testu Tukey’a dla zabitek w 3 klasach bonitacji
SQCs
Klasy bonitacji
1
1
2
0.1012
3
0.1760
2
3
0.1012
0.1760
0.0257*
0.0257*
It is not only beech wood that is afflicted by scars: 6% of mechanical surface
wounds were identified by Szakiel [2009] while grading oak logs. Here the difference in the bark thickness between the two species can play a critical role. Beech
bark is much thinner than oak bark and this difference is more evident in older
stands with mature trees.
Red heart and other defects
The problem of the decrease in the value of butt ends is highlighted even more
with regards to red heart. In this case, the lowest parts of the stems were also affected by red heart, but here the difference between the total frequency of red heart
and the volume of logs in m3 affected by this feature was clearly visible (with no
distinction in SQCs). Considering occurrence, red heart consisted of 17% of all
the wood defects, while in volume it was significantly higher: 22%. The obtained
average frequencies can be compared with the results of Knoke [2003], in which
only old trees (180-year-old) were greatly affected (nearly 100%) by this defect.
Spiral grain was observed on 11 of the 1761 measured logs sections and it was
the most rare type of all the considered characteristics. Similarly, rot and dt were
reported on just 25 and 15 logs, respectively. Double pith, shakes, rot, top diameter and spiral grain were of a minor influence on WQCs, and together amounted to
approx. 10% of the frequency among other defects.
50
Conclusions
In all the analysed SQCs, most common by volume was the wood classified as
WC0. Timber in classes WD>WB0>WA0 was less frequent and this order of
WQC volume was observed in all the SQCs. The impact on the round wood classification of the selected defects was very different. However, the most common
were knots, sweep, red heart and scars. In the presented research, knots were the
most frequent defects. Nevertheless, the knots in the beech wood had less impact
on the wood classification in comparison with knots in coniferous species (according to the quoted literature).
The appearance of some analysed defects could be limited in future by different management approaches. Knots could be limited by keeping stands of higher
density (less intensive and more frequent thinning) or pruning. Sweep could be
reduced by a more accurate grading process, possibly by obtaining shorter assortments. Environmentally-sound forest operations should cause fewer scars.
This could also be achieved by the application of a short wood system, in which
extraction by a forwarder usually causes less damage (scars) to the remaining
stand than, for example, when using a long wood system with skidding. Red heart
could also be avoided if the final felling age was not too high and the timber was
harvested before the defect could develop inside the beech stem.
With regards to SQCs, it was observed that they can have some influence on
the frequency of sweep and scars. Some of the defects rarely appeared (spiral grain, rot), although they should still be considered, especially when potentially high
quality timber (WA0) could be selected.
References
Asikainen K., Panhelainen A. [1970]: Tukin lenkouden vaikutus sahaustulokseen. Summary:
The effect of the sweep of the log on the sawing yield. Paperi ja Puu 52 [4a]: 219–230
Barszcz A. [2011]: Częstotliwość występowania i struktura rodzajowa wad drewna u głównych gatunków lasotwórczych Beskidu Żywieckiego i Śląskiego w zależności od wysokości nad poziomem morza. Sylwan 155 [3]: 171–178
Barszcz A., Rutkowska L. [1999]: Znaczenie współczynnika zmienności w określaniu jakości
surowca drzewnego. Sylwan 143 [7]: 45–55
Bembenek M., Mederski P.S., Erler J., Giefing D.F. [2011]: Results of large-size timber extracting with a grapple skidder. Acta Sci. Pol., Silv. Colendar. Rat. Ind. Lignar. 10 [4]: 5–14
Byczkowski R. [2011]: Wpływ poszczególnych wad drewna na możliwość zakwalifikowania
surowca drzewnego u buka. Katedra Użytkowania Lasu UP, Poznań [Maszynopis]
Dardziński A., Giefing D. F. [2010]: Wpływ zgnilizny na jakość drewna w zróżnicowanych
wiekowo drzewostanach świerkowych. Sylwan 154 [8]: 569−576
Dziewanowski R., Jorasz A. [1972]: Ustalenie zależności między strukturą jakościowo-wymiarową bukowego drewna tartacznego ustaloną na podstawie szacunków brakarskich
a jakością pozyskanej z niego tarcicy. Dokumentacja badawczo-techniczna. Instytut
Technologii Drewna, Poznań
51
Giefing D.F. [1999]: Podkrzesywanie drzew w lesie. Wydawnictwo Akademii Rolniczej im.
Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu. Poznań
Giefing D.F., Pazdrowski W. [2012]: Szacunek brakarski i klasyfikacja drewna okrągłego.
Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego. Poznań, ss.130
Giefing D.F., Sawicka K., Bembenek M., Karaszewski Z., Mederski P.S. [2013]: Występowanie wad olszy czarnej (Alrus glutinosa (L.) Gaertn.) i ich wpływ na klasyfikację drewna
okrągłego. NTP [W druku]
Hein S. [2008]: Knot attributes and occlusion of naturally pruned branches of Fagus sylvatica.
Forest Ecology and Management 256 [12]: 2046–2057
Hein S., Lenk E., Klädtke J., Kohnle U. [2007]: Z-Baum-orientierte Auslesedurchforstung in
Buche (Fagus sylvatica L.), Auswirkungen auf Qualität, Sortenstruktur und Wertleistung.
AFJZ 178 [11]: 8–20
Ikonen V.P., Kellomäki S., Peltola H. [2003]: Linking tree stem properties of Scots pine
(Pinus sylvestris L.) to sawn timber properties through simulated sawing. Forest Ecology
and Management [174]: 152–263
Jackowski J. [1972]: Badanie zależności pomiędzy szerokością słoi rocznych a jakością drewna w drzewostanach sosnowych Niziny Szczecińskiej. Folia Forestalia Polonica, Seria B
[11]: 5–26
Jednoralski G. [1993]: Przegląd ważniejszych badań nad jakością techniczną drewna bukowego w Polsce. Przemysł drzewny [6]: 18–19
Jozsa L.A., Middleton G.R. [1994]: A discussion of wood quality attributes and their practical
implications. Forintek Canada Crop., Special Publication No. SP-34. ISSN No. 0824–
2119. Pobrane z http://www.laszlojozsa.com/documents/SP–34.pdf
Karaszewski Z., Giefing D.F., Mederski P.S., Bembenek M., Dobek A., Stergiadou A.
[2013]: Charakterystyka uszkodzeń drzewostanu w zależności od metody pozyskiwania
drewna ze zrywką ciągnikiem. Leśne Prace Badawcze (Forest Research Papers) 74 [1]:
27–34
Knoke T. [2002]: Value of complete information on red heartwood formation in beech (Fagus
sylvatica L.). Silva Fennica 36 [4]: 841–851
Knoke T. [2003]: Predicting red heartwood formation in beech trees (Fagus sylvatica L.).
Ecological Modelling 169 [2]: 295–312
Knorr G., Prien S. [1988]: Fäll- und Rückeschäden bei der Buchenvornutzung und Möglichkeiten ihrer Reduzierung. Sozialistische Forstwirtschaft [38]: 74–76
Kozłowska A. [2010]: Wpływ wad u buka na jakość surowca drzewnego w Nadleśnictwie
Karwin. Katedra Użytkowania Lasu UP. Poznań
Križaj B. [1995]: Nekatere spremembe v lesu zaradi mehanskih poskodb bukve (Fagus
sylvatica L.). Wpływ mechanicznych uszkodzeń na drewno buka. Zbornik gozdarstva in
lesarstva [46]: 145–162
Krotkievič P.G. [1955]: Vyraščivanie vysokokačestvennoj drevesiny. Goslesbumizdat,
Moskva
Michalec K. [2007]: Jakość surowca świerkowego (Picea abies [L.] Karst) pochodzącego
z głównych ośrodków i zasięgów jego występowania w Polsce. Drewno-Wood 50 [177]:
57–78
Michnowicz K. [2011]: Wpływ poszczególnych wad drewna na możliwość i klasyfikację surowca wielkowymiarowego buk. Katedra Użytkowania Lasu UP. Poznań [Maszynopis]
Nill M., Kohnle U., Sauter U. [2011]: Rindenschäden mit mutmaßlichem Bezug zur Holzernte im Spiegel der Betriebsinventuren in Baden-Württemberg. Forstarchiv [82]: 216–224
52
Pazdrowski W., Małecki S., Spława-Neyman S. [1995]: Wytrzymałość drewna sosny zwyczajnej (Pinus silvestris L.) w zależności od początkowej więźby zakładanych upraw.
Folia Forestalia Polonica, Seria B [26]: 55–61
Pazdrowski W., Spława-Neyman S. [1993]: Badania wybranych właściwości drewna sosny
zwyczajnej (Pinus silvestris L.) na tle klas biologicznych w drzewostanie. Folia Forestalia
Polonica, Seria B [24]: 133–145
PN-92/D-95008. Surowiec drzewny. Drewno wielkowymiarowe liściaste. Wspólne wymagania i badania
Przytuła W. [2012]: Wpływ poszczególnych wad drewna na możliwość zakwalifikowania
surowca drzewnego u buka zwyczajnego. Maszynopis. Katedra Użytkowania Lasu UP.,
Poznań
Rikala J. [2003]: Spruce and pine on drained peatlands – wood quality and suitability for the
sawmill industry. University of Helsinki, Department of Forest Resource Management,
Publications 35
Schulz H. [1973]: Auswirkungen von Rückeschäden an jungen Buchen und Edellaubhölzern.
Holzforschung 27 [2]: 42–47
Spława-Neyman S., Pazdrowski W., Owczarzak Z. [1995]: Biometryczne parametry budowy drewna sosny zwyczajnej (Pinus silvestris L.) w aspekcie więźby sadzenia upraw.
Folia Forestalia Polonica, Seria B [26]: 85–92
Szakiel M. [2009]: Wpływ poszczególnych wad drewna na możliwość zakwalifikowania surowca drzewnego u dębu. Maszynopis. Katedra Użytkowania Lasu UP. Poznań
Taffe W. [1955]: Gütebewertung des Fichtenholzes verschiedener Standorte und Ertagsklassen
in Rheinland-Pfalz. Hann. Münden
Tomczak A., Jelonek T. [2012]: Parametry techniczne młodocianego i dojrzałego drewna sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.). Sylwan 156 [9]: 695–702
Tong Q.J., Zhang S.Y. [2008]: Stem form variations in the natural stands of major commercial
softwoods in eastern Canada. Forest Ecology and Management [256]: 1303–1310
Trenčiansky M., Kolenka I. [2006]: Analýza upyvu rubného veku na vznik a vývoj nepravého
jadra bukového dreva. Acta Facultatis Forestalis Zvolen [XLVIII]: 453–466
Wernsdörfer H., Constant T., Le Moguédec G., Mothe F., Nepveu G., Seeling U. [2006]:
Das Auftreten und die Form des Rotkerns in Buche (Fagus sylvatica L.) – Modellansätze
auf der Ebene des Einzelbaums Forst und Holz [61]: 458–463
Wernsdörfer H., Le Moguédec G., Constant T., Mothe F., Seeling U., Nepveu G. [2005]:
Approach to the estimation of red heart occurrence in Fagus sylvatica based on geometric
relationships between branch scar development and knot dimensions. Scandinavian Journal of Forest Research [20]: 448–455
Appendix A. Rules of sawn beech wood grading in Polish conditions
Załącznik A. Zasady klasyfikacji tartacznego surowca bukowego w Polsce
Characteristics
Classes
Nazwa wady lub cechy drewna
Klasa jakości
WA0
WBO
WC0
1
2
3
4
Minimum top diameter (dt) without bark
30 cm
20 cm
Średnica min. w górnym końcu bez kory
Minimal length
Minimalna długość
WD
5
18 cm
2.5 m – interval every 10 cm
2,5 m – z odstopniowaniem co 10 cm
53
Appendix A. Ciąg dalszy
Załącznik A. Continued
1
Knots
Sęki
sound
2
2 cm
3
5 cm
4
10 cm
unsound and dead
not permitted
5 cm
8 cm
not permitted
to 1 cm high
not taken into
account, higher
permitted 1
no/2m
zdrowe
nadpsute i zepsute niedopuszczalne
covered knots
guzy
niedopuszczalne
5
permitted
dopuszczalne
10 cm
permitted
dopuszczalne
o wys. do 1 cm
nie bierze się
pod uwagę,
wyższe dop.
w liczbie 1
szt./2 m
Shakes
Pęknięcia
end shake
≤1/5 ø
≤1/3 ø
crack and frost
crack
niedopuszczalne
not permitted
permitted one
in straight line
czołowe
czołowo-boczne
i mrozowe
Sweep
Krzywizna
Spiral grain
Skręt włókien
Scars
Zabitki
dopuszczalne
jedno w linii
prostej
permitted
dopuszczalne
permitted
dopuszczalne
permitted when allowing for 2.5 m log with simple sweep
dopuszczalna pozwalająca na wymanipulowanie wyrzynków
2,5 m z krzywizną jednostronną do:
2 cm/m
7 cm/m
3 cm/m
12 cm/m
Permitted one
with width
≤6 cm
≤6 cm
4 cm/m
5 cm/m
permitted
dopuszczalne
12 cm
permitted
dopuszczalne
dopuszczalna
jedna o szerok.
do 6 cm
Double pith
Wielordzenność
Red heart
Fałszywa twardziel
Rot
Zgnilizna
inner
wewnętrzna
outer
zewnętrzna
not permitted
niedopuszczalne
≤1/3 Ø
≤1/2 Ø
≤1/10 Ø
≤1/5 Ø
not permitted
niedopuszczalne
permitted
dopuszczalne
permitted
dopuszczalne
≤1/3 Ø
≤1/2 Ø
≤1/4 of
≤1/2 of
circumference circumference
and ≤1/10 Ø and ≤1/10 Ø
do 1/4 obwodu do 1/2 obwodu
do 1/10 Ø
do 1/10 Ø
54
Appendix A. Ciąg dalszy
Załącznik A. Continued
Insect attack
Chodniki owadzie płytkie
i głębokie
Foreign bodies
Ciała obce
not permitted
niedopuszczalne
1/4 of
circumference
do 1/4 obwodu
not permitted
niedopuszczalne
permitted
dopuszczalne
permitted
with
agreement
dop. za zgodą
Characteristics not mentioned in standard are not considered during grading
Wad nie wymienionych w tablicy nie bierze się pod uwagę
UDZIAŁ KLAS JAKOŚCI DREWNA BUKOWEGO ORAZ
WAD WPŁYWAJĄCYCH NA KLASYFIKACJĘ SUROWCA
OKRĄGŁEGO
Streszczenie
Klasyfikacja drewna okrągłego zależy od występowania i rozmiaru wad drewna. Występowanie wad o zróżnicowanym podłożu szczególnie zależy od warunków wzrostu
i rozwoju drzewa. Celem pracy było rozpoznanie udziału klas jakości tartacznego drewna
bukowego z trzech klas bonitacji oraz częstotliwości występowania wad. Sklasyfikowano
1389 kłód bukowych (1029,32 m3) na 15 powierzchniach badawczych bazując na obowiązujących regulacjach w Lasach Państwowych. Najczęściej występującą klasą jakości
drewna jest WC0, a następnie WD, WB0 i WA0 w proporcjach 15:10:4:1. Bardzo podobny
rozkład klas miał miejsce we wszystkich analizowanych klasach bonitacji Sęki, a wśród
nich sęki zdrowe były najczęściej występującą wadą drewna powodującą obniżenie klasy
jakości. Udział sęków zdrowych do nadpsutych i zepsutych oraz guzów wyniósł 7:3:2.
Krzywizna, fałszywa twardziel oraz zabitki wystąpiły na podobnym poziomie częstości,
ok. 20%. Wielordzenność, pęknięcia, zgnilizna, zbyt mała średnica w cieńszym końcu
oraz skręt włókien mają mniejszy wpływ na klasyfikację tartacznego drewna bukowego stanowiąc razem ok. 10% wszystkich stwierdzonych wad obniżających klasę jakości
drewna. Stwierdzono zróżnicowany wpływ klas bonitacji na występowanie krzywizn oraz
zabitek. Rozmiar krzywizn w I klasie bonitacji był statystycznie większy, niż w pozostałych klasach. W przypadku zabitek stwierdzono istotnie częstsze występowanie tej wady
w III klasie bonitacji.
Słowa kluczowe: wady drewna, klasy jakości drewna bukowego, klasyfikacja drewna, Fagus
sylvatica
DOI: 10.12841/wood.1644-3985.044.04
Jadwiga Zabielska-Matejuk, Anna Stangierska,
Waldemar Spychalski1
ODDZIAŁYWANIE PREPARATÓW TYPU CCB I ACQ
NA ŚRODOWISKO GLEBOWE
W artykule przedstawiono wyniki badań emisji składników preparatów grzybobójczych do gleb. Doświadczenia przeprowadzono na zróżnicowanych pod względem
właściwości chemicznych i fizycznych profilach glebowych pochodzących z Północnej
i Środkowej Polski (gleby brunatnoziemne, czarnoziemne, napływowe mady, gleby bielicowe, torfowe – grunty rolne i leśne). Badano doświadczalne preparaty
miedziowo-amoniowe, miedziowo-borowo-amoniowe typu ACQ oraz miedziowo-chromowo-borowe (CCB). Określono zawartość w glebach jonów metali: miedzi
i chromu oraz kationów bliźniaczych i mono-amoniowych cieczy jonowych, po
ekspozycji nasyconego drewna w teście ziemno-klockowym.
Słowa kluczowe: preparat grzybobójczy, ciecze jonowe, test ziemno-klockowy,
sorpcja, skażenie gleby, metale
Drewno w wyniku działania czynników biotycznych i abiotycznych ulega deprecjacji, co obniża jego wartość użytkową i konkurencyjność w stosunku do
innych wyrobów rynkowych. Przeciwdziałanie procesom starzenia i korozji biologicznej wymaga skutecznej ochrony chemicznej preparatami grzybobójczymi.
Wzrost zapotrzebowania na drewno impregnowane ciśnieniowo wiąże się z rozwojem budownictwa drewnianego, drewnianych elementów architektury ogrodowej, jak również infrastruktury drogowej. Przewiduje się, że popyt na drewno
impregnowane w Polsce wyniesie około 1,2–1,5 mln m3/rocznie, co wiąże się
ze wzrostem zapotrzebowania na środki ochrony drewna [Ratajczak i in. 2006].
Wielotonażowa produkcja niesie za sobą niebezpieczeństwo emisji do środowiska toksycznych składników środków ochronnych i ich kumulacji w glebie.
Jadwiga Zabielska-Matejuk, Instytut Technologii Drewna, Poznań, Polska
Anna Stangierska, Instytut Technologii Drewna, Poznań, Polska
Waldemar Spychalski, Uniwersytet Przyrodniczy, Poznań, Polska
56
Jadwiga Zabielska-Matejuk, Anna Stangierska, Waldemar Spychalski
Ekologiczny aspekt gospodarki drewnem impregnowanym i jego poużytkowymi
odpadami winien ograniczyć stosowanie związków chemicznych kumulujących
się w środowisku, jednak liczne środki ochrony drewna dopuszczone aktualnie
do stosowania w Polsce i Unii Europejskiej, zawierają w swych recepturach
szkodliwe związki chromu. Liczne badania wykazały [Stefanovic, Cooper 2003;
Waldron i in. 2003; Chung, Ruddick 2004; Edmund, Nilsson 1999; Jiang, Ruddick
1999; Hang, Kadmem 2000; Ung, Cooper 2004] uwalnianie jonów metali: miedzi
i chromu do gleby z drewna nasyconego preparatami miedziowo-chromowymi,
miedziowo-borowo-amoniowymi, użytkowanego w warunkach zewnętrznych,
ponad oraz w kontakcie z gruntem. Chemiczne zagrożenie środowiska zależne jest od transportu ksenobiotyków w środowisku wodnym oraz ich rozprzestrzeniania w stałych materiałach porowatych takich jak gleba, osady i warstwy
wodonośne. Procesy sorpcji i dyfuzji biocydów związane z fazą stałą środowiska wpływają na biodostępność danego związku, a tym samym możliwość jego
biotransformacji. Oprócz degradacji przez organizmy żywe, związki chemiczne
w środowisku ulegają innym procesom np. fotodegradcji czy degradacji termicznej. Badania sorpcji na powierzchni zróżnicowanych typów gleb, określenie równowagowych współczynników podziału, pozwala na śledzenie procesów
wiązania się substancji aktywnych środków ochrony drewna z glebą, ewentualną
penetrację w głąb materii organicznej oraz odwracalność tych procesów.
Czwartorzędowe sole amoniowe, w tym również ciecze jonowe, stosowane
w środkach ochrony drewna wykazują podatność do bioeliminacji w odpadach
impregnowanego nimi drewna i innych pozostałościach w środowisku. Aktualny
stan wiedzy w dziedzinie technologii organicznej umożliwia syntezy złożonych
strukturalnie cieczy jonowych, o budowie bliźniaczych kationów, o zakładanych
właściwościach fizykochemicznych i biobójczych [Chlebicki, Węgrzyńska 2005].
W wyniku wcześniejszych prac [Zabielska-Matejuk, Skrzypczak 2007;
Zabielska-Matejuk i in. 2008] stwierdzono, że amoniowe ciecze jonowe typu
„gemini”, charakteryzujące się wysoką fungitoksycznością wobec grzybów niszczących drewno, wykazują dobre wiązanie z tkanką drzewną, co powinno ograniczyć ich emisję do środowiska. Oddziaływanie cieczy jonowych z abiotycznymi
komponentami środowiska, szczególnie z glebą, uzależnione jest od interakcji
fizykochemicznych w badanych gruntach, np.: oddziaływania elektrostatyczne
z tlenkami, wodorotlenkami, czy glinokrzemianami we frakcji ilastej, oddziaływanie
z rozpuszczoną i nierozpuszczoną materią organiczną [Stepnowski, Mrozik 2005;
Stefanovic, Cooper 2003]. Wykorzystanie amoniowych cieczy jonowych typu
„gemini”, pochodnych N,N-dimetyloalkiloamin jako komponentu preparatu miedziowo-borowo-amoniowego typu ACQ (ang. ammonium copper quat) do zabezpieczania drewna użytkowanego w III i IV klasie, tj. na zewnątrz ponad gruntem
oraz w kontakcie z gruntem, nie zostało do tej pory opisane w literaturze. Wprowadzenie nowych substancji aktywnych biologicznie do preparatów ochronnych
wymaga badań według procedur Dyrektywy OECD nr 106 [OECD 2000], doty-
Oddziaływanie preparatów typu CCB i ACQ na środowisko glebowe
57
czących równowag i odwracalności sorpcji do gleb o zróżnicowanej zawartości
substancji organicznej oraz kationów wymiennych. Badania takie są niezwykle
istotne z punktu widzenia biodostępności substancji biologicznie czynnych dla
organizmów żywych w środowisku. Wobec zwiększającego się w szybkim tempie
zapotrzebowania na impregnowane drewno, jak również przemysłowe stosowanie
środków ochrony drewna zawierających związki chromu, problemu z utylizacją
drewna poużytkowego nasyconego związkami chromu i miedzi, podjęto badania
oddziaływania na środowisko glebowe doświadczalnych preparatów miedziowo-chromowo-borowych oraz miedziowo-borowo-amoniowych typu ACQ, zawierających amoniowe ciecze jonowe o zróżnicowanej strukturze kationu („mono”
lub „gemini”), w celu oceny zagrożenia środowiska przez kumulujące się w nim
jony metali. W niniejszej pracy dokonano oceny adsorpcji i desorpcji amoniowej
cieczy jonowej z pięciu typów gleb (profili glebowych), jak również emisji jonów
metali: miedzi i chromu – składników doświadczalnych preparatów oraz kationów cieczy jonowych z nasyconego drewna do gleb, po 12- i 32-tygodniowej
ekspozycji w warunkach bezpośredniego kontaktu z glebą.
Materiały i metody
Preparaty przeciwgrzybowe
Przedmiotem badań były trzy doświadczalne preparaty grzybobójcze przeznaczone do impregnowanego drewna stosowanego na zewnątrz ponad gruntem i w kontakcie z gruntem (III i IV klasa użytkowania wg normy PN-EN 335-1).
Preparat 1 – miedziowo-amoniowy typu ACQ zawierający zasadowy węglan
miedzi(II) oraz propionian N, N-didecylo-N-metylopoli(oksyetylo)
amoniowy – produkt handlowy firmy Lonza Ltd.
Preparat 2 – miedziowo-chromowo-borowy zawierający tlenek miedzi(II), tritlenek chromu(III) oraz związek boru.
Preparat 3 – miedziowo-borowo-amoniowy typu ACQ zawierający zasadowy
węglan miedzi(II), związek boru oraz diazotan(V) [1,9-(2,8-dioksanonano)]bis(dimetylooktyloamoniowy) z łącznikiem pięciowęglowym pomiędzy atomami tlenu. Strukturę doświadczalnej cieczy
jonowej „gemini” potwierdzono metodą spektralną, z zastosowaniem widma protonowego i węglowego, magnetycznego rezonansu
jądrowego. Syntezę związku wykonano na Wydziale Technologii
Chemicznej Politechniki Poznańskiej.
Struktury zastosowanych w preparatach doświadczalnych cieczy jonowych
zostały przedstawione na rys. 1.
58
+
N (
O) H
3-5
C2H5COO-
Preparat 1
+
N
O
( )
+
N
O
5
-
2 NO3
Preparat 3
Rys. 1. Struktury cieczy jonowych
Fig. 1. Structure of ionic liquids
Badania równowag adsorpcji – desorpcji na glebach
W badaniach sorpcji preparatów doświadczalnych zastosowano zróżnicowane
typy gleb: brunatnoziemne, bielicowe, płowe, czarnoziemne, napływowe – mady,
pozyskane z gruntów rolnych i leśnych, górnej warstwy (0–30 cm), pochodzące z Północnej i Środkowej części Polski. Charakterystykę chemiczną profili
gleb przedstawiono w tabeli 1. Dodatkowo przeprowadzono badania z wykorzystaniem gleby ogrodowej (torfowej) o dużej zawartości materii organicznej
(próchnicy).
Tabela 1. Charakterystyka chemiczna gleb
Table 1. Chemical characteristics of the soils
Profil gleby/miejsce
Soil profile/Sity
1
1/ Radole k/Kętrzyna
gleby brunatnoziemne,
gliniaste
%C
pH
w wodzie
pH
%N
in water
Materia
organiczna w %
Organic
matter %
alluvial soils
3/ Gniew
mady wdłuż doliny Wisły
alluvial soils along
the valley of the Wisła
PTG
FAO
2
3
4
5
6
7
2,10
7,68
0,345
3,62
glina
zwykła
loam
2,67
6,90
0,392
4,60
pył
ilasty
silty
loam
2,35
7,70
0,284
4,05
ił
zwykły
clay
brown loamy earth
2/ Pręgowo (Żuławy)
gleby napływowe – mady
Grupa wg:
Soil type acc. to:
59
Table 1. Continued
1
4/ Oporowo
gleby czarnoziemne
kujawskie
2
3
4
5
6
7
1,47
8,20
0,220
2,53
glina
lekka
sandy
loam
1,47
4,30
0,183
2,53
12,66
6,65
–
22,00
black earth Kujawy
5/ Jeziorki
gleby płowe, bielicowe,
grunty leśne
piasek loamy
gliniasty sand
lessivé, podzolic soils, forest land
6/ Gleba ogrodowa (torfowa)
Garden (peat) soil
torf
peat
PTG – Polskie Towarzystwo Gleboznawcze, Polish Society of Soil Science; FAO – Organizacja
Narodów Zjednoczonych do Spraw Wyżywienia i Rolnictwa, Food and Agriculture Organization
of the United Nations
Zawartość kationów wymiennych Ca2+, Mg2+, K+, Na+ w profilach glebowych,
oznaczone metodą Mettsona [Mocek, Drzymała 2010], przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2. Pojemność wymienna gleb (suma kationów o charakterze alkalicznym)
Table 2. Exchangeable capacity of soil(total alkaline cations)
Profil gleby
Ca2+ Mg2+ 1
30,64
1,61
1,86
0,64
34,75
98,5
2
36,16
3,33
0,51
0,65
40,65
97,6
3
33,16
5,07
0,99
0,80
40,02
98,7
4
42,94
2,83
0,18
0,63
46,58
99,4
5
9,66
0,38
0,32
0,44
10,80
79,2
6
27,20
4,30
0,35
0,40
32,25
–
Soil profile
K+
Na+ S (ang. TEB) V (ang. BS)
cmol(+)/kg
%
S – suma kationów o charakterze zasadowym; TEB – total exchangeable bases
V – stopień wysycenia kationami; BS – base saturation
Wyznaczono współczynniki i odwracalność procesów sorpcji na pięciu profilach glebowych w oparciu o metodę zalecaną przez OECD do testowania substancji chemicznych w środowisku glebowym [OECD nr 106]. W kolbach Erlenmeyera umieszczono 100 ml wodnego roztworu cieczy jonowej o stężeniu 8 i 15 mM,
dodano 5,0000 g wysuszonej gleby o frakcji < 0,5 mm, po czym wytrząsano materiał na wytrząsarce termostatowanej Excella E 24 firmy Brunswick Scientific,
w temp. 20oC, przy obrotach 150 rpm do osiągnięcia stanu równowagowego.
Po przesączeniu filtraty analizowano metodą miareczkowania dwufazowego
w oparciu o normę AWPA A 18–93.
60
Wyznaczono współczynniki adsorpcji Kd. Wartość Kd poddano korekcie na
zawartość węgla organicznego (OC), obliczając skorygowany współczynnik
adsorpcji Koc wg wzoru:
(1)
(2)
Gdzie: msads – masa zaadsorbowanej soli w stanie równowagi (mg)
maqads – masa soli w roztworze w stanie równowagi (mg)
Vo – początkowa objętość fazy wodnej w kontakcie z glebą (cm3)
msoil – masa suchej gleby (g)
%oc – zawartość procentowa węgla organicznego w glebie (g g-1)
Desorpcję (D %) badanych substancji z gleby oznaczono metodą 48-godzinnego wymywania wodą dejonizowaną, nasyconej uprzednio gleby, wyliczono
ze wzoru:
(3)
Gdzie: mt
des
me
ads
– masa soli zdesorbowanej z gleby w czasie t (mg)
– masa soli zaadsorbowanej na glebie w stanie równowagi (mg)
Badanie emisji składników preparatów doświadczalnych do gleb
– testy ziemno-klockowe
Do badań emisji składników preparatów doświadczalnych, tj. amoniowych cieczy
jonowych, miedzi i chromu do pięciu profili glebowych wybrano test ziemno-klockowy wg procedury PN-ENV 807. Badania przeprowadzono na drewnie sosny
zwyczajnej Pinus sylvestris L. o wymiarach 10 × 1× 0,5 cm, nasyconej doświadczalnymi preparatami o stężeniach 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3 i 10,0%. Układ anatomiczny i jakość próbek drewna była zgodna z wymaganiami normy PN-ENV 807.
W wyniku nasycenia uzyskano retencje preparatów w drewnie w zakresie od 4,51
do 64,02 kg/m3. Po 3-tygodniowym sezonowaniu w naczyniach zamkniętych dla
utrwalenia preparatów w drewnie, zgodnych z wytycznymi normy PN-ENV 807,
wysuszony materiał badawczy do wilgotności 12±1% umieszczano pionowo
w glebie (do głębokości 8 cm), w pojemnikach polietylenowych o pojemności
15 litrów, wypełnionych glebą do wysokości 16 cm (o suchej masie 3,5000 kg)
i o wilgotności względnej około 60%. Każdy typ gleby umieszczano w oddziel-
61
nym pojemniku. Masa preparatów doświadczalnych w próbkach badawczych
drewna (umieszczonych w każdym pojemniku) wyliczona z retencji preparatów
doświadczalnych wynosiła od 3,569 do 3,759 g. W oparciu o ilościowy skład
chemiczny preparatów określono masy składników (miedzi, chromu, cieczy jonowych) w nasyconym drewnie. Po 32-tygodniowej ekspozycji w doświadczalnych
glebach analizowano w nich zawartość jonów metali: miedzi i chromu. Badania
przeprowadzono metodą spektrometrii absorpcji atomowej (ASA). Badania zawartości amoniowych cieczy jonowych w sterylnej glebie ogrodowej przeprowadzono zgodnie z procedurą metody przyspieszonej PN-ENV 807, po 12-tygodniowej ekspozycji nasyconego drewna sosny zwyczajnej Pinus sylvestris L. dwoma
preparatami doświadczalnymi (preparat 1 i preparat 3). Próbki drewna nasycono
doświadczalnymi preparatami o stężeniach 0,63 i 2,5%. Analizy zawartości amoniowych cieczy jonowych w glebie przeprowadzono, po ich uprzedniej ekstrakcji
z 50-gramowej wysuszonej próbki gleby w 100 ml 0,1 N HCl w alkoholu etylowym. Badania wykonano z zastosowaniem ultradźwięków, zgodnie z procedurą
normy AWPAA-18-93.
W celu oznaczenia podatności amoniowych cieczy jonowych na biodegradację w środowisku glebowym, dodatkowo połowę materiału badawczego umieszczono w glebie zainfekowanej mieszaniną pięciu gatunków grzybów pleśniowych: Gliocladium roseum (Bainier), Penicillium brevi – compactum (Diercks),
Phialophora fastigiata (Lagreb et Melin), Verticillium lecanii (Zimmermann),
Penicillium funiculosum (Thom), wykazujących zdolność rozkładu tych związków [Bürgel i in. 1996; Zheng, Ruddick 1995; Harjani i in. 2009]. Szczepy grzybów pleśniowych pochodziły z kolekcji Deutsche Sammlung Mikroorganismen
and Zellkulturen w Braunschweigu oraz kolekcji własnej Instytutu Technologii
Drewna. Uzyskane wyniki zawartości cieczy jonowych w glebie zainfekowanej
porównano z zawartością tych związków w glebie sterylnej.
Wyniki i dyskusja
Wyniki badań adsorpcji i desorpcji amoniowej cieczy jonowej w postaci
diazotanu(V) [1,9-(2,8-dioksanonano)]bis(dimetylooktyloamoniowego) z pięciu
profili glebowych przedstawiono w tabeli 3.
Największą zdolność zatrzymywania kationów tego związku, zarówno
w przypadku zastosowania stężenia początkowego 8 mM, jak i 15 mM wykazały gleby wytworzone z pyłu ilastego (profil gleby 2) oraz z iłu zwykłego (profil
gleby 3), około 72 mg/g gleby. Jest to związane z dużą zawartością kationów
wymiennych zwłaszcza Ca2+ i Mg2+ (około 40 cmol(+)/kg gleby) oraz węgla
organicznego i związanej z nim substancji organicznej – próchnicy (tabela 1 i 2).
Odwracalność procesu sorpcji na tych rodzajach gleb jest bardzo mała i wynosi odpowiednio 0,48–1,03% dla stężenia początkowego 8mM i 0,94–1,94% dla
sężenia początkowego 15 mM. Najniższą adsorpcję zaobserwowano na glebie
62
leśnej, w której suma kationów wymiennych wynosi jedynie 10,80 cmol(+)/kg.
Adsorpcja preparatu o stężeniu początkowym 8mM była prawie 10-krotnie mniejsza niż w przypadku gleb o profilu 2 i 3, natomiast wymyciu uległo
ponad 3% zaadsorbowanego związku. Mała zawartość materii organicznej
w glebie leśnej wpływa również niekorzystnie na stopień zaadsorbowania kationu
cieczy jonowej. Kwaśny odczyn pH tej gleby (pH = 4,3) wskazuje na obesność
kwasów humusowych, które mogą przyspieszać desorpcję kationów amoniowych
z komponetu glebowego [Humar, Pohleven 2006]. Bardzo dobre właściwości
sorpcyjne iłu zwykłego (gleba 3) i pyłu ilastego (gleba 2) – gleby napływowe,
mady – potwierdzają współczynniki sorpcji Kd (tabela 4) wynoszące odpowiednio
135,6 i 124,6 w przypadku roztworu 8mM cieczy jonowej. W przypadku gleby leśnej (profil gleby 5) współczyniki sorpcji Kd były na poziomie 1,76–1,98
w zależności od stężenia początkowego roztworu soli amoniowej. Niskie wartości
desorpcji cieczy jonowej z badanych typów gleb ilastych wskazują na zdolność
wiązania jej z kompleksem sorpcyjnym zbudowanym z koloidu glebowego,
w skład którego wchodzą minerały ilaste (wermikulit, kaolinit, illit), krystaliczne
i amorficzne tlenki glinu i żelaza, próchnica i kompleksy ilasto-próchnicze.
Dzięki właściowościom sorpcyjnym gleb następuje neutralizacja szkodliwych
substancji, które się do nich dostały. Mała mobilność kationów cieczy jonowej
może zmniejszyć jej emisję do fazy wodnej środowiska, co niweluje zagrożenie
dla organizmow wodnych (np. ryb).
Tabela 3. Adsorpcja i desorpcja bliźniaczej cieczy jonowej z gleb
Table 3. Adsorption and desorption of geminal ionic liquids from soils
Profil gleby
Stężenie
początkowe
Soil profile
Initial
concentration
mM
Adsorpcja
(na jednostkę masy
gleby)
Procent
zaadsorbowania
do gleby
Desorpcja
z gleby (D)
Desorption from
soil (D)
Adsorption
(per unit of soil)
Percentage of
adsorption to soil
mg/g
%
%
1
39,67
47,57
2,87
2
71,85
86,17
0,48
3
72,67
87,15
1,03
4
28,10
33,70
3,32
5
7,51
9,00
3,18
1
50,05
29,73
5,91
101,25
60,13
0,94
98,17
58,31
1,94
4
45,28
26,89
2,56
5
13,65
8,11
3,08
8
2
3
15
63
Tabela 4. Współczynniki sorpcji Kd, Koc bliźniaczej cieczy jonowej do gleb (w oparciu
o procedurę OECD nr 106)
Table 4. Sorption coefficient Kd , Koc of geminal ionic liquids to soils (based on OECD no 106
procedure)
Stężenie początkowe roztworu soli [mM]
Initial concentration of salt solution [mM]
8
Profil gleby
Soil profile
15
Współczynniki sorpcji Kd , Koc
Sorption coefficients Kd , Koc
Kd
log Koc
Kd
log Koc
1
18,15
2
124,58
2,94
8,46
2,61
3,67
30,17
3,05
3
4
135,63
3,76
27,97
3,08
10,16
2,84
7,36
5
2,70
1,98
2,13
1,76
2,08
W tabeli 5 przedstawiono wyniki zawartości jonów metali – miedzi i chromu
w pięciu profilach glebowych po 32-tygodniowej ekspozycji drewna sosny nasyconej doświadczalnymi preparatami miedziowo-borowo-amoniowymi (preparat
1 i 3) i miedziowo-chromowym (preparat 2). Emisja miedzi do gleby zależy od
stopnia związania z tkanką drzewną związku miedzi – składnika preparatu doświadczalnego. W przypadku preparatów typu ACQ zasadowy węglan miedzi(II)
w połączeniu z cieczą jonową w postaci diazotanu(V) [1,9-(2,8-dioksanonano)]
bis(dimetylooktyloamoniowego) uległ w większym stopniu wymyciu do gleb
niż w przypadku preparatu 1, w którym zastosowano do kompleksowania miedzi propionian N,N-didecylo-N-metylopoli(oksyetylo)-amoniowy. W przypadku
profilu glebowego 2 i 3 (napływowe mady o dobrych własnościach sorpcyjnych,
pH 6,0–7,9) stopień wymycia jonów miedzi z preparatu 1 wynosił od 5,79 do
6,24%, natomiast w przypadku preparatu 3 wymycie miedzi było na poziomie
7,29 do 8,77%. W badaniach emisji do gleby leśnej poziom wymycia Cu z preparatu 1 wynosił 9,19%, natomiast z preparatu 3 osiągnął 15,14%. To zróżnicowanie
emisji jonów metali wynika z odmiennej budowy morfologicznej i właściwości
chemicznych (sorpcyjnych) w/w profili glebowych, jak również ich pH. Kwaśny
odczyn gleby leśnej (pH 4,3), spowodowany obecnością kwasów humusowych,
zwiększa rozpuszczalność i wymywalność związków miedzi z nasyconego drewna, co może być powodem zwiększonej emisji metali. Podobne wyniki uzyskali
Humar i in. [2006] w badaniach wymywania miedzi z drewna nasyconego preparatami typu CCB i ACQ, stosując różne typy wody o zmiennej kwasowości
oraz roztwór kwasów humusowych o pH 2,5 (ang. artificial humic acid solution).
W przypadku profilu glebowego 4, o dużej zawartości jonów Ca2+ (prawdopodobnie z wapnowania tej gleby rolnej, pH 8,2) odnotowano dużą emisję miedzi
z drewna impregnowanego preparatem typu ACQ (preparat 3).
g
–
–
–
–
–
g
0,5489
0,5409
0,5492
0,5484
0,5430
0,5259
0,3244
0,3258
0,3211
0,3228
0,3250
0,3270
0,4311
0,4328
0,4278
0,4294
0,4352
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
0,3906
0,3923
0,3865
0,3913
0,3885
0,3884
–
–
–
–
–
Content of
Cr in treated
Scots pine
wood
Content of Cu
in treated Scots
pine wood
profile
Profil
Zawartość Cu Zawartość Cr
glebowy w nasyconym w nasyconym
Soil
drewnie sosny drewnie sosny
* degree of leaching of Cr from treated wood to soil (%)
* stopień wymycia Cr z nasyconego drewna do gleb (%)
Preparation 3
Preparat 3
Preparation 2
Preparat 2
Preparation 1
Preparat 1
Experimental
preparation
Preparat doświadczalny
10,19
23,66
17,21
9,65
4,51
5,10
10,19
23,66
17,21
9,65
4,51
10,19
23,66
17,21
9,65
4,51
5,10
18,33
25,33
21,33
16,30
13,60
8,73
25,07
32,67
27,93
27,37
23,33
31,83
34,10
27,00
22,37
18,77
10,40
after exposure
of treated wood
po ekspozycji
nasyconego
drewna
mg/kg
before exposure
(initial variant)
przed ekspozycją (wariant
wyjściowy)
Zawartość Cu w glebie
Content of Cu in the soil
9,32
1,79
4,49
7,48
9,89
13,12
12,09
7,29
8,77
14,46
15,14
%
13,79
5,79
6,24
8,12
9,19
3,35
Degree of leaching
of Cu from treated
wood to soil
Stopień wymycia
(emisji) Cu
z nasyconego
drewna do gleby
32,17
51,62
55,48
16,97
8,71
3,13
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
31,13
50,73
54,10
17,53 (0,24)*
12,03 (2,99)*
3,93 (0,72)*
–
–
–
–
–
mg/kg
before exposure after exposure
(initial variant) of treated wood
po ekspozycji
nasyconego
drewna
Content Cr in the soil
przed ekspozycją (wariant
wyjściowy)
Zawartość Cr w glebie
Table 5. Emission of copper and chrome from treated wood to soils, after 32-weeks exposure in the soil-block test according to PN-ENV 807
Tabela 5. Emisja miedzi i chromu z nasyconego drewna do gleb, po 32-tygodniowej ekspozycji w teście ziemno-klockowym wg PN-ENV 807
64
65
Niespodziewanie duże skażenie gleby spowodował preparat 2 zawierający
w składzie chemicznym tlenek miedzi(II). Stopień wymycia Cu wynosił od 1,79
do 13,12%, natomiast skażenie gleby chromem w przypadku tego preparatu doświadczalnego było bardzo małe, co świadczy o dobrym utrwaleniu się chromu
w tkance drzewnej i małej rozpuszczalności zastosowanego w preparacie związku chromu. Jedynie w badaniach z zastosowaniem gleby leśnej (profil gleby 5)
o pH 4,3 zauważono emisję jonów Cr na poziomie 2,99%. Powodem tego może
być duża zawartość kwasów humusowych w glebach leśnych, zwiększająca rozpuszczalność związków chromu [Cooper i in. 2000].
Badania emisji cieczy jonowych-składników preparatów do gleby przedstawiono w tabeli 6 i 7. Stopień emisji amoniowych cieczy jonowych o bliźniaczej
strukturze kationu („gemini”), jak i mono-amoniowej cieczy jonowej do gleby zależy od retencji tych soli w drewnie. W przypadku retencji preparatu 1 i preparatu
3 w eksponowanym drewnie na poziomie około 18 kg/m3 (0,487–0,490 g preparatu
w próbkach drewna) zawartość soli amoniowych w glebie wynosiła od 0,0048 do
0,0078%. Natomiast zainfekowanie gleby mieszaniną grzybów pleśniowych inaktywujących czwartorzędowe sole amoniowe, w wyraźny sposób przyczyniło się do
obniżenia zawartości cieczy jonowych w doświadczalnej glebie.
Tabela 6. Emisja amoniowych cieczy jonowych z drewna nasyconego do gleby
po 12-tygodniowej ekspozycji w teście ziemno-klockowym
Table 6. Emission of ammonium ionic liquids from saturated wood to soil after 12 weeks
of exposure in the soil-block test
Rodzaj preparatu doświadczalnego
Kind of experimental preparation
preparat1
preparat 3
preparation 1
preparation 3
Zawartość preparatu w nasyconym drewnie (g)
Profil gleby
Content of preparation in treated wood (g)
Soil profile
0,122
(4,53 kg/m3)
0,490
(18,9 kg/m3)
0,126
(4,65 kg/m3)
0,487
(18,1 kg/m3)
Zawartość cieczy jonowych w glebie po ekspozycji nasyconego drewna (%)
Content of ionic liquids in the soil after exposure of treated wood (%)
6
Gleba ogrodowa
(torfowa) sterylna
Sterile garden (peat)
soil
6
Gleba ogrodowa
zainfekowana grzybami pleśniowymi
Garden soil infected
with moulds
0,0029
0,0075
0,0019
0,0048
0,0020
0,0047
0,0012
0,0020
66
Może to świadczyć o początkowym rozkładzie cieczy jonowych przez te gatunki grzybów pleśniowych, w czasie 12-tygodniowego testu ziemno-klockowego.
Zawartość cieczy jonowych w czterech badanych profilach gleb po 32-tygodniowej
ekspozycji jest na bardzo niskim poziomie (tabela 7), natomiast w przypadku gleby
leśnej słabo adsorbującej kationy nie wykryto obecności propionianu N,N-didecylo-N-metylopoli(oksyetylo)amoniowy. Aktywność mikrobiologiczna badanych
profili glebowych, określona wg wytycznych normy PN-ENV 807, potwierdza
obecność w nich grzybów zasiedlających gleby, których wybrane gatunki mogą inaktywować (rozkładać) kationy cieczy jonowych, co umożliwia ich biodegradację
w tym środowisku.
Tabela 7. Zawartość amoniowych cieczy jonowych w glebie po 32-tygodniowej
ekspozycji impregnowanego drewna w teście ziemno-klockowym, wg PN-ENV 807
Table 7. Content of ammonium ionic liquid in the soil after 32-weeks exposure of treated
wood in the soil-block test, acc. to PN-ENV 807
Profil gleby
Soil profile
1
Preparat doświadczalny
Experimental preparation
2
3
4
5
6
Zawartość cieczy jonowych w glebie
Content of ionic liquids in the soil
%
Preparat 1
Preparation 1
Preparat 3
Preparation 3
0,00095
0,00100
0,00082
0,00064
0,00000
0,00134
0,00084
0,00104
0,00081
0,00058
0,00083
0,00125
Podsumowanie i wnioski
Przeprowadzona analiza wyników badań pozwala na sformułowanie następujących stwierdzeń i wniosków:
1. Sorpcja do gleb składników doświadczalnych preparatów typu CCB i ACQ,
w postaci związków metali: miedzi i chromu oraz amoniowych cieczy jonowych zależy od rodzaju profilu glebowego, tzn. charakterystyki chemicznej
i właściwości fizycznych komponentu glebowego.
2. Zawartość kationów wymiennych w glebie, jak również materii organicznej,
wpływa w sposób istotny na możliwość wiązania kationów preparatów ochronnych i nieodwracalność tego procesu. Adsorpcja kationu [1,9-(2,8-dioksanonano)]bis(dimetylooktyloamoniowego) na glebie leśnej (piasek gliniasty) jest
najmniejsza, natomiast w przypadku gleb ilastych (profil gleby 2 i 3) kształtuje się na poziomie 87%. Współczynniki sorpcji (Kd) i desorpcji (D) potwierdzają zróżnicowaną podatność gleb do wymiany i wiązania kationu cieczy
jonowej z kompleksem sorpcyjnym gleby.
67
3. Emisja jonów miedzi do gleby z drewna impregnowanego doświadczalnymi preparatami miedziowo-amoniowymi ACQ (zawierają kompleksy miedzi
z etanoloaminą) była wyższa niż w przypadku preparatu miedziowo-chromowo-borowego CCB (zawiera tlenek miedzi). Stopień wymycia chromu
z drewna nasyconego preparatem CCB (zawiera tritlenek chromu) był niski.
Odnotowano emisję jonów Cr na poziomie 2,99% w warunkach kontaktu
z glebą leśną. Kwaśny odczyn tej gleby (pH 4,3), związany z dużą zawartością
kwasów humusowych w gruntach leśnych, zwiększa wymywalność miedzi,
chromu i kationów amoniowych z nasyconego drewna i związaną z tym emisję tych związków do gleb.
4. Kationy amoniowych cieczy jonowych w środowisku glebowym ulegają degradacji przez grzyby pleśniowe, natomiast jony metali – składniki preparatów grzybobójczych – będą kumulowały się w środowisku.
Podziękowania
Praca została wykonana w ramach projektu własnego NN 309 070 636, finansowanego
przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Panu dr Andrzejowi Skrzypczakowi,
adiunktowi z Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej składamy podziękowanie za wykonanie syntezy cieczy jonowej „gemini”.
Literatura
Bürgel J.L., Dubois J., Ruddick J.N.R. [1996]: Proposed degradation pathway for quaternary
ammonium compounds by mould fungi. Doc. No. IRG/WP/96-10166. Inter. Res. Group
on Wood Pres. IRG Secretariat Stockholm, Sweden
Chung P.A., Ruddick J.N.R. [2004]: Leaching of copper from ACQ treated wood exposed above
ground. Doc.No. IRG/WP04‑50 219, International Research Group Wood Preservation,
IRG Secretariat, Stockholm, Sweden
Chlebicki J., Węgrzyńska J. [2005]: Synteza i aktywność powierzchniowa wielokrotnych soli
amoniowych. W: Czwartorzędowe sole amoniowe, Wydawnictwo ITD, Poznań: 93–107
Cooper P. A., Jeremic D., Taylor J. L., Ung Y. T. [2000]: Effect of humic acid on leaching of
CCA from treated wood and co-workers influence of humic acid. Doc. IRG/WP 00-50151,
13. International Research. Group on Wood Preservation, IRG Secretariat, Stockholm,
Sweden
Eldund H.L., Nilsson T. [1999]: Performance of copper and non-copper based preservatives
in terrestrial microcosms. Holzforschung 53: 369–375
Harjani J.R., Singer R.D., Garcia M.T., Scammels P.J. [2009]: Biodegradable pyridinium
ionic liquids: design, synthesis and evaluation. Green Chemistry 11: 83–90
Humar M., Pohleven F., Žlindra D. [2006]: Influence of water properties on leaching
of copper-based preservatives from treated wood. Wood Research 51[3]: 69–76
Jiang X., Ruddick J.N.R. [1999]: A spectroscopic investigation of copper ethylenediamine
fixation in wood. Doc. IRG/WP 99-20160. International Research. Group on Wood
Preservation, IRG Secretariat, Stockholm, Sweden
68
Mocek A., Drzymała S. [2010]: Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wydawnictwo UP
w Poznaniu
OECD [2000]: Adsorption-desorption using a batch equilibrium method. OECD guideline for
testing of chemicals, 106
Ratajczak E., Szostak A., Bidzińska G. [2006]: Zużycie materiałów drzewnych w gospodarce. Wydawnictwo ITD, Poznań: 167–176
Stefanovic S., Cooper P. [2003]: Effect of soil physical and chemical characteristics on adsorption of leached CCA and ACQ preservative components. Doc. IRG/WP 03-50200. International Research. Group on Wood Preservation, IRG Secretariat, Stockholm, Sweden
Stepnowski P., Mrozik W. [2005]: Wstępne badania sorpcji kationów imidazoliowych cieczy
jonowych w wybranych typach gleb. W: Czwartorzędowe sole amoniowe, Wydawnictwo
ITD, Poznań
Ung Y., T., Cooper P., A. [2004]: Effect of species, retention and conditioning temperature
on copper stabilization and leaching for ACQ-D. Doc. IRG/WP 04-30342
Waldron L., Ung Y.,T., Cooper P.A. [2003]: Leaching of inorganic wood presevatives- Investigation the relationship between leachability, dissociation characteristics and longterm leaching potential. Doc. IRG/WP 03-50199. International Research. Group on Wood
Pre-servation, IRG Secretariat, Stockholm, Sweden
Zabielska-Matejuk J., Skrzypczak A. [2007]: Synthesis, antifungal properties and fixation
in wood of bis-quaternary ammonium salts-based ionic liquids, N,N-dimethylamine and
1-octylimidazole derivatives. Annals of Warsaw Agricultural University, Foresty and
Wood Technology 62: 375–378
Zabielska-Matejuk J., Stangierska A., Skrzypczak A. [2008]: Badania aktywności hydrofilowych i hydrofobowych cieczy jonowych w stosunku do grzybów rozkładu szarego oraz
procesów sorpcji na glebie. Drewno 51[179]: 5–28
Zhang J., Kadmem. D.P. [2000]: Interaction of copper-amine complexes with wood: Influence of copper source, amine ligands and amine to copper molar ratio on copper retention
and leaching. Wood and Fiber Science 32, 332–339
Zheng Y., Ruddick J.N.R. [1995]: The effect of didecyldimethylammonium chloride
on the growth of different strains of the mould fungus Gliocladium roseum. Doc. No.
IRG/WP/95-1-105. International Research Group Wood Preservation, IRG Secretariat,
Stockholm, Sweden
Normy
AWPA Standard 18–93 [1993]: Standard for determination of quaternary ammonium compounds in wood by 2-phase titration. Am. Wood-Preserv. Assoc. Subcommit. T-7
PN-ENV 807 [2002]: Wood preservatives. Determination of the toxic effectiveness against
soft rotting micro-fungi and other soil inhabiting micro-organisms
PN-EN 335-1 [2007]: Trwałość drewna i materiałów drewnopochodnych – Definicja klas
użytkowania – Część 1: Postanowienia ogólne
69
IMPACT OF THE CCB AND ACQ-TYPE PRESERVATIVES
ON THE SOIL ENVIRONMENT
Summary
The article presents the results of experiments on copper-chromium-borate (CCB) agents,
copper-ammonium and copper-borate-ammonium agents of ACQ-type (ammonium copper quats) from the side of their influence on the soil environment. The aim of the experiments was to determine the contamination of soils with ions of copper and chromium as
well as cations of ionic liquids, which were found in the formulas of fungicidal agents
used in the experiments. The contamination was determined based on multi-week exposure of impregnated pine wood Pinus sylvestris L. in direct contact with the soil.
The assessment of ionic liquids adsorption to and desorption from soils was carried out
in accordance with the guidelines of OECD no. 106 (2000) concerning tests of chemical
substances in the soil environment. Six types of soils (brown soil, black soil, alluvial soil,
peat soil, podzolic soils and lessivé soils) of diverse structures of the sorption complex (the
content of changeable cations and organic matter, and pH) were used in the experiments.
Chemical and physical characteristics of the soils from agricultural and forest lands from
Central and Northern Poland were prepared. The tests of the emissions of the tested fungicidal agents’ components to the soils were performed using soil-block tests based on the
procedure under the PN-ENV 807 standard. The tests were performed on pine wood Pinus
sylvestris L., a wood species most often used in construction in the form of impregnated
sawnwood, garden accessories, acoustic screens etc. The exposure of impregnated wood
in direct contact with the soil was carried on for 12 and 32 weeks. After this time the
emissions of copper, chromium, and the “gemini” ammonium cation of ionic liquid to the
soils were determined. The degree of the soil contamination with metals was diverse depending on the soil profile type, the type of agent, water solubility of the agent’s chemical
components, soil pH, as well as on the ability to bind with wood tissue. The leaching of the
chromium compounds in the copper-chromium-borate (CCB) agent from the impregnated
wood to the soils was the least, which confirms their well bonding with wood. Copper
used in the form of CuO, as well as in the form of amine-copper complexes, was leached
from the impregnated wood even to 15–14% in the conditions of the experiment. Cations
of ammonium ionic liquids were adsorbed on loamy soils, where the reversibility of the
process was minimum; whereas they were not sorbed on forest soils, i.e. on soil component with little content of changeable cations.
The content of the tested ionic liquids in the soil, after 32-week exposure of impregnated wood, was ranging from 8.4 to 12.5 mg/kg of the soil. The degree of contamination
with these compounds was approximately two times lower than in the case of copper ions.
The presence of soil mould fungi facilitates decomposition of ammonium ionic liquids,
which contributes to the reduction of environmental pollution with these organic compounds. Metal ions, which are components of wood preservatives with permission to use,
will be accumulated in the environment as a result of the emission from impregnated wood
to the soils.
Keywords: fungicidal preparation, ionic liquids, soil-block test, sorption, soil contamination, metals
DOI: 10.12841/wood.1644-3985.015.05
Jan Bocianowski, Krzysztof Joachimiak, Adam Wójciak1
THE INFLUENCE OF PROCESS VARIABLES ON THE
STRENGTH PROPERTIES OF NSSC BIRCH PULP.
TOWARDS THE LIMITS OF OPTIMIZATION: PART TWO –
THE EFFECT OF TEMPERATURE AND COOKING TIME
The aim of this work was to establish the best mechanical and strength properties
of NSSC pulps using operating conditions at which the lowest (optimal) spent
liquors, cooking temperature and time of treatment could be obtained. Minimal and
maximal limits of independent variables were proposed using real mill conditions
as a starting point. The analyzed variables were: cooking time (13 to 15.5 min),
cooking temperature (from 172 to 179°C), liquor- to- wood ratio (from 1.2 to 2.2).
In spite of the narrow ranges of controlled cooking variables, the large database
and combined statistical methods (analysis of variance, parallel coordinates, principal component analysis) made it possible to distinguish the limits of the optimal
ranges of the studied technological factors which determined the tested pulp’s properties. The mechanical and strength testing of the pulp’s sheets showed that the
analyzed time, temperature and liquor-to-wood ratio influenced the CMT, SCT, Tear
strength and, to some extent, Burst strength.
Keywords: NSSC, cooking parameters, pulp, statistical methods
Introduction
The high inorganic ratio in spent liquors as compared to the typical sulfite
or kraft pulping processes, and the difficulties with the recovery of chemicals
makes neutral sulfite semi-chemical pulp (NSSC) production relatively burdensome from a technological and environmental point of view [Area et al. 2001,
1997). The results of studies presented in Part One of this paper [BocianowJan Bocianowski, University of Life Science, Poznan, Poland
Krzysztof Joachimiak, University of Life Science, Poznan, Poland
Adam Wójciak, University of Life Science, Poznan, Poland
72
Jan Bocianowski, Krzysztof Joachimiak, Adam Wójciak
ski et al. 2012] showed the relationship between liquor-to-wood ratio used during cooking and the strength properties of NSSC pulps. This research indicated that it is possible to obtain acceptable values of CMT, SCT, Burst and Tear
strength of NSSC pulps even if they have been cooked at a lower liquor-to-wood
ratio (l/w).
Liquor-to-wood ratio is only one among a number of important technological variables determining pulp properties during pulping. The aim of this work
was to examine the influence of other important operating factors (temperature,
cooking time) on the mechanical and strength properties of NSSC pulp paper
sheets (CMT, SCT, Burst and Tear) obtained, using mathematical and statistical
methods.
Industrial chips obtained from birch trees growing in Poland (Betula verrucosa) were used as the raw material. The chips included the following fractions:
>O45 – 1.1%, >II8 – 5.7%, >O7 – 91.0%, >O3 – 2.1%, the rest – 0.1% (O and II
mark holes and slot diameter in mm according to the Brecht-Holl classification)
[SCAN–CM–40:01].
All cooking experiments were carried out on an industrial NSSC production
line with a controlled capacity and with a 82% average yield from the process.
The most important units composing the pulp line were: the atmospheric chip bin,
plug screw feeder, pressurized impregnator, continual digester and cooked chip
disintegration refiner.
The wood, after air-release at the chip bin, was squeezed by the screw feeder
and then pushed to the pressurized impregnator. The impregnator was connected
directly with the digester and this construction had the same operational pressure of 9.2 bar. The initial cooking liquor concentration was the same during all
the experiments (165g/dm3 Na2SO3; 50g/dm3 Na2CO3). Two variants of liquor-to-wood ratio (l/w 1.5 and 1.8) were used during all the experiments with different
temperatures and times of cooking. After cooking, the chips were defibred by the
disintegration refiner with 36% of concentration (more details concerning the production line are presented in Part One of the paper).
For each studied technological parameter (liquor-to-wood ratio, time and
temperature of cooking, red liquor addition), the obtained pulp samples were refined in a PFI laboratory mill to reach four Schopper-Riegler degrees: 20ºSR,
25ºSR, 30ºSR and 35ºSR. After Schopper-Riegler freeness tests, hand sheets were
made from all of the pulp samples. From the dried and conditioned paper sample,
four strength properties were examined: SCT – short crush test [EN/ISO 9895],
CMT – Concora medium test [EN/ISO 7263], Tear strength [EN 21974] and Burst
strength [EN/ISO 2758].
The influence of process variables on the strength properties of NSSC birch pulp. Towards the limits ...
73
Temperature
When studying the influence of temperature on the pulp properties, four steps were
taken. Each step assumed a cooking temperature lower by 2ºC than the previous
one, starting from 179ºC at the top and 178ºC at the bottom of the digester. The
following pairs of temperatures were used in these studies: 179/178ºC, 177/176ºC,
175/174ºC and 173/172ºC. The total number of observations used for the temperature analysis: CMT (320), SCT (479), Burst strength (363), Tear strength (98).
Cooking time
Three adjusted cooking times were examined – 13, 14.5 and 15.5 minutes. Longer
and shorter times were not possible to set during the pulp manufacture because of
the danger of the digester plugging and the insufficient drive unit to get cooking
shorter than 13 minutes, respectively. The temperature of cooking was: 179ºC at
the top and 178ºC at the bottom of the digester. The total number of observations
used for the cooking time analysis: CMT (243), SCT (137), Burst strength (79),
Tear strength (25).
Statistical analysis
Firstly, the normality of the distribution of CMT, SCT, Tear and Burst was tested
using Shapiro-Wilk’s normality test [Shapiro, Wilk 1965]. A three-way analysis of
variance (ANOVA) was carried out to determine the effects of the liquid-to-wood
ratio, Schopper-Riegler numbers as well as all the interactions with the variability of
CMT, SCT, Tear and Burst strength development. The least significant differences
(LSDs) for each trait were calculated and, on this basis, homogeneous groups for
the analyzed traits were determined. The relationships between CMT, SCT, Tear
and Burst were estimated on the basis of correlation coefficients. The relationship
between the analyzed properties was presented in the form of a scatterplot [Kozak
et al. 2010]. The application of principal component analysis (PCA) made it possible to find on the plane the graphic dispersion of pairs of liquid-to-wood ratio
and Schopper-Riegler degrees characterized with respect to all properties treated
together. The parallel coordinate plot is proposed as an efficient tool for liquid-to-wood ratio × Schopper-Riegler freeness interaction visualization [Kozak 2010].
All analyses were performed with the procedure in GenStat v. 10.1 [GenStat 2007].
Small variations in operating conditions tested in industrial-scale production suggested the need to search first for significant differences between all results concerning strength properties of pulp recorded at different temperatures, and then
74
investigate them for different pulping times (all analysis at diferent SchopperRiegler (SR) freeness numbers). Data was collected from two different cycles
of cooking, therefore the application of typical DOE was not convenient. Aware
of the strong interaction between temperature and cooking time, it was decided
that both technological factors should be varied separately. As with the previous studies [Bocianowski et al. 2012], CMT and SCT, along with Burst and Tear
strength properties, were admitted as the most appropriate indices for the evaluation of technological efficiency. The results of the analysis of variance inserted in
table 1 showed that, with the exception of Tear strength, the rest of the strength
properties differed significantly with regard to cooking temperature as well as to
SR freeness. As could be expected, refining (SR tests) also caused significant differences to the development of all the tested strength properties. However, CMT
and Tear did not differ significantly with regard to liquor-to-wood ratio.
Table 1. Mean squares from the three-way analysis of variance (ANOVA) for the
experiment with temperature and SR freeness (for l/w 1.5 and 1.8)
Tabela 1. Średnie kwadraty (śk) z trójczynnikowej analizy wariancji (ANOVA) dla doświadczeń nad wpływem temperatury warzenia i smarności SR (dla modułów 1,5 i 1,8)
Source
of variation
Źródło
zmienności
Temperature (T)
Temperatura (T)
l/w
moduł
SR
SR
l/w × T
moduł × T
l/w × SR
moduł × SR
T × SR
T × SR
l/w × T × SR
moduł × T × SR
Residual
Błąd
CMT
SCT
CMT
df
ss
3
1
mean square
średni
kwadrat
1150.3***
113.5
Burst
SCT
df
mean square
ss
średni
kwadrat
3
Tear
Przepuklenie
df
mean square
ss
średni
kwadrat
1.218***
3
1
0.495*
Przedarcie
df
mean square
ss
średni
kwadrat
96879***
3
4458
1
53190***
1
9651
3
6827.2***
3
2.677***
3
75540***
3
64501***
3
3321.4***
3
0.22
3
353
3
8959*
3
853.9***
3
0.264
3
2065
3
41192***
9
797.4***
9
0.303**
9
2898**
9
13636***
27
122.7
27
0.194
27
1752
27
3397
270
109.7
429
0.097
313
1135
48
1617
l/w – liquid-to-wood ratio; moduł – moduł cieczy warzelnej
SR – freeness in °SR (Schopper Riegler); SR – smarność w stopniach °SR (Schopper Riegler)
df – number of degrees of freedom; ss – liczba stopni swobody
* – significant at level of 0.05; istotne na poziomie 0,05
** – significant at level of 0.01; istotne na poziomie 0,01
*** – significant at level of 0.001; istotne na poziomie 0,001
75
The change of l/w from 1.5 to 1.8 influenced SCT slightly and much more the
pulp’s Burst strength. These results indirectly confirm the possible positives
of pulping with a lower content of neutral-sulfite cooking liquor. The liquor
saving did not necessarily worsen the pulp’s strength development, which depends
mainly on refining. One interesting point is that the temperature and l/w ratio
together strongly influenced CMT properties. Furthermore, the most significant
interactions between the tested process variables (l/w vs. SR and temperature vs.
SR) were obtained for CMT indices. Among others, only the SCT and B strength
showed significant interactions between cooking temperature and refining.
Although Tear strength was also prone to the above-mentioned interactions, the
results were not as important as CMT, from the point of view of NSSC pulp’s final
application (mainly, corrugated medium).
The data in table 2 show the mean values and least significant differences
when various pulping times and the l/w ratio at different Schopper-Riegler (SR)
freeness were analyzed.
Table 2. Mean squares from the three-way analysis of variance (ANOVA) for experiment with l/w (1.5 and 1.8), time (t) and SR freeness
Tabela 2. Średnie kwadraty z trójczynnikowej analizy wariancji (ANOVA) dla doświadczeń
nad wpływem modułu cieczy warzelnej (1,5 i 1,8), czasu warzenia (t) i smarności SR
Source
of variation
Źródło
zmienności
l/w
moduł
time
czas
SR
SR
l/w × time
moduł × czas
l/w × SR
moduł × SR
time × SR
czas × SR
l/w × time × SR
moduł × czas × SR
Residual
Błąd
Degrees
of freedom
CMT
1
2173.2***
2
939.3***
3
8237.7***
Liczba stopni
swobody
CMT
SCT
SCT
Burst
Tear
Przepuklenie
Przedarcie
0.529*
1185
2498
0.212
8823***
997
3.064***
94993***
77777***
2
100.1
0.079
8658***
4506
3
572.2**
0.153
7395***
6054
6
196.4
0.569***
3927**
11005***
6
462.9***
0.328*
3268*
7448*
112.2
0.132
1150
2399
219
l/w – liquid-to-wood ratio; moduł – moduł cieczy warzelnej
time – cooking time; czas – czas gotowania
SR – freeness in °SR (Schopper Riegler); SR – smarność w stopniach °SR (Schopper Riegler)
* – significant at level of 0.05; istotne na poziomie 0,05
** – significant at level of 0.01; istotne na poziomie 0,01
*** – significant at level of 0.001; istotne na poziomie 0,001
76
Time of cooking strongly affected the CMT and Burst strength. The latter (B)
was the only property influenced by all the studied interactions (cooking time vs.
l/w ratio and SR refining, l/w vs. SR refining). There were no interactions between
time and l/w ratio, however the liquor content (l/w 1.5 and 1.8) affected the CMT
indices significantly, including participation in the strong interaction between the
cooking time and SR refining. The only interaction influencing SCT strongly was
the cooking time vs. SR refining.
The results inserted in table 2 show how complex the changes caused by such
small variations in the cooking time were and why the process analysis needed
more profound, visualizing statistical methods.
The evaluation of significant differences (analysis of variance) did not show
the strength development tendencies of the pulp, thus Principal Component Analysis (PCA) was used as a tool facilitating visual comparison of the data sets
obtained after the conducting of experiments at different temperatures as well as
cooking times. As seen in the key to fig. 1 which presents the results of the PCA
obtained for studies on cooking temperature, only 1.61% of the information from
the primary data (100% – 74.76% – 23.63%) was lost after transformation from
the four-dimensional space to the two-dimensional plane, therefore the observed
arrangement of results may be regarded as close to the original. In fig. 1 we can
distinguish several groups of points which have formed similar data collections,
representing all the analyzed strength properties for two l/w ratios, all ranges
of SR freeness and four different temperature sets. The PCA analysis shows that
temperature together with l/w and refining are important factors differing the results of pulp’s strength properties. The visualization makes it possible to distinguish two main groups of data: the first one comprising the pulps cooked at
temperatures 175/174°C or above for both l/w ratios (1.5 and 1.8), and the second
one the set of points obtained after cooking mostly at l/w 1.5 and the temperature
173/172°C.
The last group of scattered data indicates that it is refining that substantially
differentiates the strength properties of pulps cooked at such operating conditions (l/w 1.5 and temp. 173/172°C). A closer look at the PCA plot also shows
that some of the results are clustered according to higher temperature (range
179/178°C – 175/174°C) and SR freeness (25 – 35°SR) and they are all studied
for both l/w ratios: 1.5 and 1.8. Pulps cooked at 179/178°C and at a 1.8 l/w ratio
in particular form a similar group (except for SR 20) representing the approximated strength properties. The most interesting aspect here is that pulps cooked
at the lower l/w of 1.5 and temperatures 175/174°C and above, may attain similar
strength properties as the same pulps cooked with a higher liquor volume (l/w 1.8).
We can distinguish at least three groups of similar data obtained for both l/w ratios:
1.5 and 1.8. This is another result indicating the possibility of cooking with a low
liquor-to-wood ratio.
77
Fig. 1. Confirmation of combinations of liquid-to-wood ratio stages, SR freeness and
different temperatures set for CMT, SCT, Tear and Burst strength
Rys. 1. Potwierdzenie kombinacji modułów cieczy warzelnej, smarności masy (SR) i różnych
temperatur warzenia w przestrzeni dwóch składowych głównych dla oznaczeń CMT, SCT,
oporu przedarcia i przepuklenia
The PCA analysis also made it possible to reduce the set of observations (all
analyzed strength indices for 1.5 and 1.8 l/w ratios and for the whole range of
studied SR freeness) and to answer the question of whether the little differences
in cooking time influence the pulp’s mechanical properties. Fig. 2 represents a visualization of the above-mentioned coordinates in a two-dimensional data space.
Only 1.45% of the information from the primary data (100% – 73.81% – 24.74%)
was lost following transformation from the four-dimensional space to the twodimensional plane, therefore the observed arrangement of data is suitable for analysis as it is close to the original. As seen in fig. 2, although most of the data is
relatively scattered, several regularities can be distinguished which show the influence of cooking time on the properties of the pulp. First of all, the time of cooking
affected the strength of pulps refined to low freeness (20°SR) more significantly. In
this case, the differences were more distinct for pulps processed at the 1.8 than at
the 1.5 liquor-to-wood ratio (20°SR). The different cooking times also influenced
the strength properties of the pulps processed at both studied l/ws (1.5 and 1.8)
after refining to 25–30°SR. However, in the case of refining to 30°SR, that tendency was stronger for the pulp cooked at 1.8 than at 1.5 l/w. These observations may
be explained by the better impregnation and higher rate of diffusion of the active
liquor components into wood chips with the increasing neutral sulfite liquor volume, but this deserves experimental confirmation. The influence of cooking time
on the strength of pulps refined to the highest freeness (35°SR) were relatively
small, independent of the liquor-to-wood ratio used. Taking into consideration the
fact that the similarities of the analyzed data sets (cooking time, l/w and freeness)
78
along the OX axis (the first principal component) are weaker than along the OY
axis (the second principal component) it may even be observed that highly refined
pulps (30–35°SR) cooked at longer times (14.5–15.5 min) show a tendency to
form similar groups (fig. 2) (15.5/35/1.8; 15.5/30/1.8; 15.5/35/1.5; 14.5/35/1.5).
Fig. 2. Confirmation of combinations of liquid-to-wood ratio stages, SR freeness and
different cooking times set for CMT, SCT, Tear and Burst strength.
Rys. 2. Potwierdzenie kombinacji modułów cieczy warzelnej, smarności masy (SR) i różnych
czasów warzenia w przestrzeni dwóch składowych głównych dla oznaczeń CMT, SCT, oporu
przedarcia i przepuklenia
The most important application of the tested NSSC pulp is the production
of corrugated medium, and that is why there has been a focus once more on an
analysis of CMT and SCT indices. The data from tables 3 and 4 show the mean
values and the least significant differences (LSD’s) for CMT, and separately SCT
strength for experiments with different l/w, temperatures and cooking times. The
data from tables 3 and 4 fluctuates, although for most of the SR ranges studied
(from 20 up to 35) it shows a general increase in value according to temperature. One of the reasons for this may be connected with the specific character of
vapour-gas phase cooking at a low l/w ratio, which was commented on in the first
part of this paper. In spite of small differences in temperatures, we can observe
the LSD’s for both tested liquor-to-wood ratios (table 3). Generally, the highest
CMT values were obtained during the experiment with various temperatures after
cooking at l/w 1.5. In this case, the increased CMT values appeared in the range
of temperatures: 175/174 – 177/176°C. The pulps cooked at 1.8 l/w reached the
best CMT strength after processing at 179/178°C. The same tendency (in relation to temperatures and both studied l/w ratios) were observed for SCT strength.
Although the highest SCT values were attained at l/w 1.8 (35°SR), the results
obtained for pulps refined to 30°SR have a more practical significance (see comments in Part One of this paper, Bocianowski et al. 2012).
SR
LSD0.05
Średnia
Mean
248.4
238.7
4.83 240.5efgh
8
mean
średnia
9
cv
6.6
6
3.42
3.64
243.3
średnie
mean
cv
173/172
mean
średnie
175/174
cv
mean
średnie
177/176
Temperatura
Temperature
CMT
CMT
cv
mean
średnie
179/178
średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie
cv
253.4
248.9
239.1
229.8
10
Średnia
Mean
Średnie
Mean
l/w 1.8
moduł 1.8
247.1cde 4.16
244.8def
3.41 242.6efg
4.55 238.6fgh 4.51
7
cv
T: 3.85; SR: 3.85; T´SR: 7.83
269.4a
251.1bcd
239.2fgh
224.4i
6
mean
średnia
179/178
means followed by the same letters are not significantly different
240.1
2.99
256.0b
3.27
35
253.6bc
236.1gh 3.41 238.1fgh 5.34
3.77
5
cv
245.4def 4.25
234.6h
4
mean
średnia
30
2.43
3
cv
177/176
Temperatura (T)
175/174
25
2
222.5i
1
średnia
mean
173/172
20
SR
Temperature (T)
CMT
CMT
l/w 1.5
moduł 1.5
4.82
5.75
5.32
7.35
14
cv
5.003
5.142ab
5.156ab
5.165ab
4.586c
15
mean
średnia
4.9
7.81
5.68
8.86
16
cv
5.173
5.205ab
5.283a
5.205ab
4.989b
17
mean
średnia
T: 0.114; SR: 0.114; T×SR: 0.233
5.061
5.154ab
5.199ab
5.231a
4.737c
13
mean
średnia
5.4
5
5.3
6.3
18
cv
179/178
mean
średnie
cv
173/172
mean
średnie
cv
175/174
mean
średnie
cv
177/176
Temperatura
SCT
Temperature
SCT
mean
średnie
cv
179/178
6.41
6.14
6.43
6.67
12
cv
177/176
Temperatura (T)
175/174
Mean
Średnie
5.18
5.111
5.076
4.718
19
Mean
Średnia
4.828
5.214ab
4.798c
4.699c
4.592c
11
mean
średnia
173/172
SCT
Temperature (T)
SCT
Tabela 3. Wartości średnie i współczynniki zmienności (cv) wskaźników CMT i SCT dla różnych temperatur warzenia i smarności (SR) masy
(dane dla modułów1,5 i 1,8)
Table 3. CMT and SCT values and coefficients of variations (cv) for experiment with different temperatures and SR freeness
(data for l/w 1.5 and 1.8)
79
233.9g
234.3
35
Mean
Średnie
LSD0.05
245.9bcd 2.32 238.9defg 2.7
245.9
248.8bc
242cdef
8
2.64
3.92
3.62
4
2.86
2.1
9
Means followed by the same letters are not significantly different
Średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie
250.9
260.1a
248.5bc
248.7bc
4.79 246.3bcd
7
T: 4.51; S: 4.51; T×S: 8.29
3.67 244.3bcde 2.88
234.9
250.4b
6
3.73 242.4bcdef 6.72
4.39
30
235.5fg
221h
236.6efg 3.5
3.47
25
5
220.8h
4
20
3
2
1
Table 3. Continued
246.8
5.162
abcd
4.29
5.13
18
6.50
5.165
5.316 a
6.48
5.48 5.272 ab 5.01
T: 0.153; S: 0.153; T×S: 0.391
4.993
17
4.942
abcdef
19
5.058
5.014
4.942
4.785
Means followed by the same letters are not significantly different
Średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie
4.766
6.92
4.875
4.30
4.976
abcdef
4.721ef
5.216
abc
5.005
abcde
7.59
4.999
abcde
6.27
5.41
4.838
cdef
16
15
4.907
bcdef
6.24 4.777 def 6.15
14
4.961
abcdef
13
6.46 4.646 ef 7.80
12
4.585 f
11
243.8 4.792 def 5.47
240.8
234.6
10
80
81
Fig. 3. Parallel coordinate plot for sixteen objects (1.5 liquid-to-wood ratio stages;
combinations of SR freeness and cooking temperature) and four traits (CMT, SCT,
Burst and Tear strength)
Rys. 3. Wykresy współrzędnych równoległych dla szesnastu analizowanych obiektów (moduł
1,5; kombinacje różnych czasów warzenia i smarności masy) i czterech cech (CMT, SCT,
przepuklenie i opór przedarcia)
Fig. 4. Parallel coordinate plot for sixteen objects (1.8 liquid-to-wood ratio stages;
combinations of SR freeness and cooking temperature) and four traits (CMT, SCT,
Burst and Tear strength)
Rys. 4. Wykresy współrzędnych równoległych dla szesnastu analizowanych obiektów (moduł
1,8; kombinacje różnych temperatur warzenia warzenia i smarności masy) i czterech cech
(CMT, SCT, przepuklenie i opór przedarcia)
82
Taking this into consideration, again the pulps cooked at 1.5 l/w showed better
SCT properties in comparison to those treated at 1.8 l/w. These observations also
confirm the comparison of the parallel coordinate plots (PCPs) for both l/w (1.5
and 1.8). As seen in fig. 3 and fig. 4, the pulps processed at 1.5 l/w showed more
correlations (e.g. orientations of lines close to the parallel and with a similar angle
of inclination) between the variables than pulps cooked at a 1.8 liquor-to-wood
ratio. In the case of 1.5 l/w, only five breaking lines [175/174/35; 179/178/30;
173/172/25; 175/174;20; 177/176/20] can be distinguished, as opposed to nearly
one half of crossing lines of all the studied relationships for a 1.8 l/w. At the same
time, the visualization shows that the best pulp strength properties after cooking
at 1.5 l/w (CMT, SCT and B) were gained in the range of 175/174°C – 177/176°C
and for SR freeness 30° (the data for 35°SR were excluded due to the reasons
mentioned earlier – [Bocianowski, Joachimiak, Wójciak 2012]). It is worth noticing that the presented parallel coordinate plots also show correlations between
other studied strength properties (Burst and Tear). Because Burst and Tear have
less importance for the final pulp’s application, it was decided that these results
should be described at the end of this work (table 5).
The analysis of processing time was even more complicated than the evaluation
of the cooking temperature. The results of gradually prolonged treatment differed
with regard to the liquor-to-wood ratios used and the pulp’s SR freeness (table 4).
Generally, in the case of 1.5 l/w, most of the highest CMT values were obtained
after the shortest cooking time – 13 min (although it should be noted that the data
for 30 – 35°SR did not indicate significant differences). The results for the CMT
measurement of pulps processed at 1.8 l/w were more scattered (however, as with
the 1.5 l/w, they did not show significant differences between 30 – 35°SR). The SCT
strength (5.645) had increased a little as compared to the results obtained for 1.5 l/w
(5.599), and for the same cooking time (14.5 min) and 30°SR freeness. The analysis
of parallel coordinate plots (PCPs) for both l/w (1.5 and 1.8) did not show the distinct advantages of increased liquor-to-wood ratio use (fig. 5 and fig. 6). In the case
of the plot for 1.8 l/w, more of the lines are parallel and have a similar angle of inclination than in the case of 1.5 l/w, but the comparison of data from table 4 and from
both plots shows that the best pulp strength properties (CMT, SCT and Burst) were
gained for the combination of 1.5 l/w, 13 min cooking time and 25°SR freeness.
From a practical point of view, the results of the comparison analysis (based on
LSDs) for Burst and especially for Tear strength are not as important as the CMT
and SCT indices, therefore attention was paid to the generalities. Burst strength as a
rule increased with an increase in temperature and reached a maximum for the pulps
refined to 25°SR and cooked at 1.8 l/w (table 5). The pulps processed at 1.8 l/w also
showed increased values of Burst strength with prolonged cooking time in comparison to the rather scattered data for pulps cooked at 1.5 l/w. The results for Tear
strength (not shown) of pulps cooked at different temperatures and cooking times
did not demonstrate significant dependencies, irrespective of the studied l/w ratio.
Średnia
20
25
30
35
Mean
3.67
3.12
3.75
5
246.6
cv
4.58
3.04
5.33
2.94
cv
237.4b
250.1a
247.5a
250.7a
mean
średnia
13
252.7
Mean
Średnia
SR
238.2e
256.9abc
252.3bcd
262.9a
mean
średnia
13
20
25
30
35
SR
241.9
231.5bc
235.6b
252.2a
248.4a
średnia
CMT
CMT
Time (t)
Czas (t)
14.5
mean
246.8
229.2f
250.1cd
248.4d
260.6ab
średnia
Time (t)
Czas (t)
14.5
mean
CMT
CMT
6.28
3.13
4.14
2.53
cv
3.74
4.55
4.18
2.77
cv
244.5
226.7c
248.1a
252.8a
252a
średnia
15.5
mean
247.8
239.6e
244.2de
246.4de
259.1ab
średnia
15.5
mean
3.3
3.19
3.44
2.59
cv
4.36
7.77
7.29
3.62
cv
231.5
244.5
250.5
250.5
Mean
Średnia
moduł 1.8
l/w 1.8
235.7
250.7
249.1
260.9
Mean
Średnia
moduł 1.5
l/w 1.5
13
5.261
5.081def
5.341bcd
5.243bcde
5.374bc
mean
średnia
5.317
5.080de
5.422abc
5.198cde
5.568ab
mean
średnia
13
7.24
5.53
4.65
5.53
cv
5.78
8.13
7.3
6.26
cv
średnia
5.275
4.847f
5.186bcde
5.645a
5.437ab
średnia
6.96
7
7.14
6.72
cv
SCT
6.41
6.88
7.24
6.96
SCT
SCT
Time (t)
Czas (t)
14.5
mean
cv
5.403
5.182cde
5.299bcd
5.599a
5.544ab
Time (t)
Czas (t)
14.5
mean
SCT
5.237
5.025ef
5.146cde
5.364bc
5.422ab
średnia
15.5
mean
5.28
4.974e
5.506ab
5.510ab
5.171cde
średnia
15.5
mean
8.75
8.09
5.34
6.18
cv
6.78
7.23
6.09
8.16
cv
4.98
5.225
5.406
5.414
Mean
Średnia
5.079
5.407
5.424
5.42
Mean
Średnia
Tabela 4. Wartości średnie CMT i SCT oraz współczynniki zmienności (cv) dla różnych modułów, czasów warzenia (t) i smarności masy (SR)
Table 4. CMT and SCT values and coefficients of variations (cv) for experiment with different l/w, time (t) and SR freeness
83
LSD0.05
Średnia
20
25
30
35
Mean
SR
LSD0.05
Średnia
20
25
30
35
Mean
SR
466.8
5.61
6.22
5.62
6.39
506.8
469.4def
507.4b
509.0b
546.3a
średnia
5.81
4.61
6.81
6.34
534.8
495.5bc
515.4b
564.6a
562.9a
średnia
490
429.4g
494.6e
502.6de
534.7bc
średnia
10.19
6.05
5.59
6.46
534
485.1ef
527.4cd
556.3ab
567.8a
średnia
6.72
5.94
7
4.95
552.6
504.5de
581.2a
559.8ab
565.8a
średnia
10.62
5.2
10.53
8.68
cv
moduł 1.8
179/178
mean
10.19
4.13
3.63
4.67
cv
l/w 1.8
T: 14.57; SR: 14.57; T×SR: 28.52
462.7
416.8g
458.1f
500.2de
480.7ef
średnia
173/172
mean
Temperature (T) / Temperatura (T)
175/174
177/176
mean
mean
cv
cv
cv
7.2
4.74
6.04
15.32
179/178
mean
444.2
410.8h
458.6efg
493.1bcd
515.5b
średnia
Temperature (T) / Temperatura (T)
175/174
177/176
mean
mean
cv
cv
T: 12.33; SR: 12.33; T×SR: 25.11
5.09
4.39
5.48
8.65
cv
400.1h
454.6fg
442.0g
480.6cde
średnia
173/172
mean
moduł 1.5
l/w 1.5
457.1
515.1
528.9
537.2
Średnia
Mean
443.5
483.7
501.7
526.4
Średnia
Mean
cv
5.83
4.02
6.4
10.45
cv
509.1
459.0e
5.09
497.1d
8.84
522.3bcd 11.17
552.9a
4.84
średnia
15.5
mean
450.6
516.6
523.6
542.6
Mean
Średnia
497.4
478.4d
483.1d
515.5bc
512.8bc
średnia
4.01
6.17
6.07
6.34
522.2
485.5d
520.9b
553.2a
531.5ab
średnia
15.5
mean
6.79
5.19
3.66
8.3
cv
471.3
505.3
520.7
521.8
Mean
Średnia
4.43
6.7
6.32
6.55
cv
Time (t) / Czas (t)
14.5
mean
cv
t: 10.95; SR: 12.59; t×SR: 23.43
495
448.6e
511.5bc
495.2cd
522b
średnia
13
mean
514.8
454.4e
533.9abc
542.2ab
532.7abc
średnia
Time (t) /Czas (t)
14.5
mean
cv
t: 13.31; SR: 15.22; t×SR: 27.50
501.9
439.0e
6.2
517.0bcd 6.95
507.8cd 8.45
541.4ab 8.45
średnia
13
mean
Tabela 5. Wartości średnie przepuklenia i oporu przedarcia oraz współczynniki zmienności (cv) dla różnych temperatur warzenia i smarności masy (SR)
Table 5. Burst and Tear values and coefficients of variations (cv) for experiment with different temperatures and SR freeness
84
85
Fig. 5. Parallel coordinate plot for twelwe objects (1.5 liquid-to-wood ratio stages;
combinations of SR freeness and cooking time) and four traits (CMT, SCT, Burst
and Tear strength)
Rys. 5. Wykresy współrzędnych równoległych dla dwunastu analizowanych obiektów (moduł
Fig. 6. Parallel coordinate plot for twelwe objects (1.8 liquid-to-wood ratio stages;
combinations of SR freeness and cooking time) and four traits (CMT, SCT, Burst
and Tear strength)
Rys. 6. Wykresy współrzędnych równoległych dla dwunastu analizowanych obiektów (moduł
86
Conclusions
1. Temperature, time of cooking and liquor to wood ratio are important factors
influencing NSSC pulp strength properties.
–– Pulp cooked at temperatures 175/174°C – 177/176°C and a low liquor-to-wood ratio (1.5) reached similar strength properties as the same pulp
cooked with a higher l/w ratio (1.8).
–– Burst strength increased with an increase in cooking temperature, irrespective of the liquor-to-wood ratio used during pulp processing.
2. A short cooking time (13 min) is beneficial for CMT and the SCT strength of
pulp produced at a low liquor-to-wood ratio (1.5). The accepted pulp strength
properties were obtained for the following combination:13 min cooking,
1.5 l/w ratio, 179ºC at the top and 178ºC at the bottom of the digester, (25°SR).
Acknowledgements
The research paper was financed by The European Social Fund within the framework
of The Integrated Program of the Regional Development Process.
References
Area M.C., Felissia F.E., Nuñez C.E., Venica A., Valade J.L. [1997]: Upgrading Spent
Liquors from NSSC Process, in proceedings of Symposium on Structure and Properties
of Lignocellulosic Materials, Fifth Chemical Congress of North America, Cancun: 11–15
Area M.C., Felissia F.E., Venica A., Valade J.L. [2001]: NSSC process optimization: pulping, pulps and spent liquors, Tappi Journal 84 [4]: 1–12
Bocianowski J., Joachimiak K., Wójciak A. [2012]: The influence of process variables on
the strength properties of NSSC birch pulp. Towards the limites of optimization: Part One
– the effect of liquor ratio, Drewno 55 [188]: 17–33
GenStat [2007]: GenStat Release 10 Reference Manual. Lawes Agricultural Trust, Rothamsted, UK
Kozak M. [2010]: Use of parallel coordinate plots in the multi-response selection of interesting genotypes. Communications in Biometry and Crop Science 5 [2]: 83–95
Kozak M., Bocianowski J., Sakwojć S., Wnuk A. [2010]: Call for more graphical elements
in statistical teaching and consultancy. Biometrical Letters 47 [1]: 57–68
Shapiro S. S., Wilk M. B. [1965]: An analysis of variance test for normality (complete samples). Biometrika [52]: 591–611
List of standards
EN 21974 [2002]: Paper – Determination of tearing resistance (Elmendorf method)
EN/ISO 2758 [2005]: Paper – Determination of bursting strength
EN/ISO 7263 [2008]: Corrugating medium – Determination of the flat crush resistance after
laboratory fluting
87
EN/ISO 9895 [2002]: Paper and board – Compressive strength – Short span test.
SCAN–CM–40:01 [2001]: Wood chips for pulp production – Size distribution. Scandinavian
Pulp, Paper and Board Testing Committee
WPŁYW ZMIENNYCH CZYNNIKÓW PROCESOWYCH NA
WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE BRZOZOWYCH MAS
PÓŁCHEMICZNYCH (NSSC).
W KIERUNKU GRANIC OPTYMALIZACJI: CZĘŚĆ DRUGA –
WPŁYW TEMPERATURY I CZASU WARZENIA
Streszczenie
Celem pracy było ustalenie warunków obojętnosiarczynowego roztwarzania drewna brzozowego i otrzymywania mas półchemicznych (NSSC) o możliwie najwyższych
właściwościach wytrzymałościowych, przy wykorzystaniu możliwie najniższych wartości czynników procesowych: modułu cieczy warzelnej, temperatury i czasu warzenia.
Badania oparto na granicznych (minimalnych i maksymalnych) wartościach zmiennych
niezależnych procesu roztwarzania drewna prowadzonego w warunkach przemysłowych.
Analizowano następujące zmienne: czas warzenia (od 13 do 15,5 min), temperaturę
warzenia (od 172 do 179°C) i moduł cieczy warzelnej (od 1,2 do 2,2). Pomimo bardzo
wąskich zakresów kontroli zmiennych procesu roztwarzania, połączenie obszernej bazy
danych i zestawu metod analizy statystycznej (analiza wariancji, analiza współrzędnych
równoległych, analiza składowych głównych) pozwoliło na wyznaczenie optymalnych
zakresów badanych czynników technologicznych determinujących testowane właściwości wytrzymałościowe mas włóknistych. Analizy statystyczne wykazały, że zmienne
niezależne (moduł cieczy warzelnej, czas i temperatura warzenia) wpływały na poziom
wartości badanych wskaźników wytrzymałościowych: CMT, SCT, oporu przedarcia i do
pewnego stopnia również przepuklenia. Obniżając moduł cieczy warzelnej do 1,5, uzyskano masy włókniste o porównywalnych właściwościach wytrzymałościowych do mas
warzonych przy wyższych modułach. Ograniczenie ilości dozowanego ługu warzelnego, a zatem możliwość zmniejszenia udziału substancji nieorganicznych do organicznych
w ługu powarzelnym, może być korzystne z ekonomicznego punktu widzenia oraz dalszego przerobu ługu powarzelnego.
Słowa kluczowe: NSSC, masa obojętnosiarczynowa, parametry roztwarzania, metody statystyczne
DOI: 10.12841/wood.1644-3985.012.06
Marcin Klimczewski, Danuta Nicewicz1
PROPERTIES OF SELECTED HDF PULP WITH
RECOVERED FIBERS ADDED
The paper aims to clarify the effect on pulp properties of adding fibers from used
fiberboards to standard fibers. Fibers from industrial HDF, from used fiberboards
and their mixtures were tested using a laboratory Fiber Analyser. Data were obtained directly for both fiber length and fiber width. The pulp was tested using computer image analysis to calculate the area share of different fiber length and width
classes. The results show that the largest changes in pulp fiber dimensions occur
when the percentage of recovered fibers, RF, is between 15% and 30%. The results
obtained show that a qualitative analysis of fiber can be a useful tool for assessing
the potential properties of fiberboards, especially when new materials are used.
Keywords: wood fibers, recovered fibers, HDF, fiber dimensions
Introduction
In Poland, medium-density fiberboards, MDF, are produced from pulpwood, small
timber poles and wood waste from forests and other sectors of the wood industry,
sawmills and plywood trimmings, rolls after peeling, chips, sawdust, and other sources. The yearly consumption of the raw material for MDF production amounts
to approximately 4.6 × 106 m3. With the rapid growth of the Polish wood industry
over the last decade, a deficit of raw material is now becoming a reality. In 2010,
it was estimated to be approximately 0.6 × 106 m3 and increasing. This deficit can
be partly eliminated by the utilization of fibrous material from the agricultural industry and/or from recycled wood. Straw surplus is estimated to be between 8 and
13 million mg/year [Hikiert 2005], and the quantities of recycled wood approx.
5.5 to 6 × 106 m3 /year [Danecki, Paluchiewicz 2009]. Both types of materials can
be used in the production of particleboards and fiberboards. However, a part of
them, as used in MDF, hardboards and insulation boards, can only be reused in the
production of fiberboards.
Marcin Klimczewski, Warsaw University of Life Science, Warsaw, Poland
Danuta Nicewicz, Warsaw University of Life Science, Warsaw, Poland
90
Marcin Klimczewski, Danuta Nicewicz
The lack of raw wood is not just a local problem. For many years, scientists
and producers have been struggling to find efficient ways to utilize other fibrous
materials in panel board production. A new process has been developed in Great
Britain, called the “Fibersolve” process, whereby the recycled MDF or particle
boards are disintegrated in autoclaves using pressurized steam at a high temperature to produce reusable fibers [Kearley, Goroyias 2004]. A different process has
been established in Germany where the recycled MDF is fed through an extruder
to produce fibers [Roffael et al. 2009, 2010]. In Poland, trials have been carried
out to recover fibers from MDF in a one-stage refining process.
The morphology of secondary fibers will depend both on the source of the
fiber as well as on the production method.
Methods and materials
In this study an analysis of standard HDF fibers, recycled fibers and mixtures
of those fibers, was carried out using a previously developed methodology
[Klimczewski et al. 2009]. The recycled fiberboards included uncoated MDF
(80%), lacquered HDF (10%) and uncoated Hardboard, HB, (10%). The recycled
boards were crumbled in a knife mill. The milling chamber was equipped with
a strainer which sorted the wood particles with mean sizes below 38 mm. Chips
were formed from crushing the recycled wood and a mixture of particles resulted.
The chips were immersed in water to increase the moisture content, MC. The MC
was increased from 6–7% to approx. 50%, and the soaked chips were then fed into
the refiner, with the grinding gap set to 0.1 mm.
Standard HDF pulp was produced under industrial conditions with a defibration temperature of 120–140°C, and the total time of heating and defibration set
between 4–6 minutes.
The prepared mixtures of fibers (in proportions of mass) are shown in the
table 1 below:
Table 1. Pulp composition of mixtures of HDF and RF Fibers
Tabela 1. Skład mieszanin włókien standardowych na HDF i włókien poużytkowych
Run
Recovered fibers
Industrial HDF fibers
Włókna poużytkowe
Włókna przemysłowe na HDF
1
0
100
2
100
0
3
15
85
4
30
70
5
55
45
Próba
(%)
(%)
Properties of selected HDF pulp with recovered fibers added
91
Methods of pulp measurement
The fiber dimensions were determined using a digital fiber analyzer. The fibers
were diluted in water and then the required sample size (2 g dry weight) was transferred to the measuring chamber. Data were obtained directly for both fiber length
and fiber width. Additional information on the number of fibers, number of fiber
kinks, kink angles, fiber curl, and the proportion of fines was also obtained, but is
not reported in this paper. This well established technique opens up new research
perspectives.
A MorFi LB01 laboratory instrument was used in this study. The percentage distributions of fibers were divided into 90 classes: 9 classes of fiber width
(classes above 75 µm were classified as shives and are therefore omitted from the
charts) and 10 classes of fiber length were obtained.
A set of evaluation criteria was used to obtain information about the quality
of particular pulp. Such a task was not easy to perform as the number of publications in this area is limited. The proportions of particular fractions of fibers have
a very diversified influence on board properties [Nelson 1973; Park et al. 2001;
Xing et al. 2004]. It has been known for many years that a very important parameter is the ratio of fiber width to its length [Suchsland, Woodson 1991]. Fibers of
fractions characterized by a substantial length (above 1.7 mm), even though less
frequent, decide to a considerable degree the basic strength parameters of boards,
due to a potential surface of created bonds and a high probability of contact with
many other fibers, among other things. Short fibers can strengthen the structure
of boards by filling the space between the large fibers. On the other hand, shorter fibers can tend to align themselves along the forming direction and hence to
worsen the contact between large fibers. When this occurs there is a lowering of
bending strength, while at the same time it can advantageously affect the internal
bond [Back 1987]. Therefore, it was suggested that the indices which account
to a high degree for this potential should be introduced. These indices were assumed to be the estimated average fiber surface area for each of the 90 classes,
calculated as the product of the mean width and mean length of fibers in each
separate class.
Ai =
Lix ∗ Wix
10000000
(1)
Where: Ai – area index of fiber class i
Lix – average length of fiber class i
Wix – average width of fiber class i
The computational areas of fibers for particular fractions are presented in
fig. 1 for a 100% HDF pulp.
92
Fig. 1. Fiber length – width data for typical fibers, showing the proportions of relative
fiber areas in each fraction
Rys. 1. Długość i szerokość typowych włókien, pokazujące udziały powierzchni każdej frakcji
The fiber areas in each class were computed by multiplying fiber length and
width, using the recorded numbers of fibers in each class. The results are presented as percentage shares of computational areas of fibers in each class in the
computational area of the whole pulp.
(2)
Where: ni – number of fibers of class i
Ai – area index of class i
nc – number of fibers of class c
Ac – area index of class c
Presenting pulp characteristics in this way allows a more precise assessment
of the pulp quality in comparison with the numeric proportions of the fibers, and
facilitates the observation of significant differences among the various process
parameters.
93
Fiber Analysis 1 – 100% HDF
The first analysis carried out was for a standard HDF pulp. The results are shown
in fig. 2, which is a plot of fiber length versus fiber width. The trends are similar
to those previously obtained for the same type of pulp [Klimczewski et al. 2009].
Fig. 2. Fiber length-width data for typical HDF pulp fibers, showing the proportions
of relative fiber areas in each fraction
Rys. 2. Długość i szerokość standardowych włókien na płyty HDF, pokazujące udziały powierzchni każdej frakcji
It can be noticed that the data obtained (fig. 2) reflect to a high degree the anatomical structure of wood used for production. Almost all parts of the pulp consist of fiber
classes of length 200–4733 µm and width 28–67 µm. In stark contrast, the dimensions of the basic elements constituting the fibers in pinewood (Pinus silvestris L.)
are as follows: tracheids are 1800–3500 µm long and 20–40 µm (tracheids of
spring wood) or 13–25 µm wide (tracheids of summer wood) [Kokociński 2002].
The greatest areas were recorded for fiber classes of width 36–52 µm and length
1711–3222 µm. There was also a significant proportion (51%) of short fibers
(200–956 µm) in the whole range of measured widths. It is important to note
94
that the amount of very short fibers was responsible for only 21% of the area.
This affirms the phenomenon of fiber cutting in the pulp production process.
Fiber Analysis 2 – 100% recycled fibers, RF
Fig. 3 is a plot of fiber length versus fiber width for 100% recycled fibers. The
data in fig. 3 are typical for recovered fiber (RF) pulp obtained from used fiberboards (mainly MDF). The greatest area share was recorded for the fiber fraction
of length 200–956 µm and width 36–52 µm. The short fibers (200–956 µm) in
the whole range of measured widths amounted to 71% of total fibers which were
responsible for 43% of the area share (table 2). It seems that the properties of the
pulp from the used boards should substantially reflect the properties of standard
pulps. However, in the pulp made from used boards, in comparison with the industrial MDF pulp [Klimczewski et al. 2009], there was a significantly lower
proportion of the fraction of the fibers of a length above 2467 µm. The main
reason for this was the process of obtaining the pulp, in which the fibers were
significantly shortened.
Fig. 3. Fiber length-fiber width data for typical RF pulp fibers, showing the proportions of relative fiber areas in each fraction
Rys.3 Długość i szerokość włókien poużytkowych, pokazujące udziały powierzchni każdej
frakcji
95
Fibre Analysis 3 – 85% HDF/ 15% Recovered fibers RF
Fiber length-width data for this mixture of fibers are presented in fig. 4. The main
difference between the industrial HDF 100% pulp (fig. 2) and the pulp mix with 15%
of RF (fig. 4) is a 4% decrease in the share of fiber classes with a width 36–52 µm
and length above 1711 µm.
The shares for the fiber classes with lengths 200–1711 µm and widths
28–59 µm were increased by the same amount. There were no other significant
differences.
Fig. 4. Fiber length-width data for a mixture of 85% HDF fibers and 15% RF fibers
showing the proportions of fiber areas in each fraction
Rys. 4. Długość i szerokość włókien w mieszaninie składającej się z 85% włókien standardowych i 15% włókien poużytkowych, pokazujące udziały powierzchni każdej frakcji
Fiber Analysis 4 – 70% HDF/ 30% recovered fibers, RF
Fiber length-width data for a mixture of 70% HDF fibers and 30% RF fibers
are presented in fig. 5. It can be seen that the addition of 30% RF fibers caused
a significant difference in the pulp properties. The greatest area share was
recorded for the fiber fraction of length 200–2467 µm and width 36–52 µm. Short
96
fibers (200–956 µm) over the whole range of measured widths amounted to 62%
of the total fibers, accounting for 32% of the area share (11% more than for the
15% RF pulp mixture). The largest area share change (8%) was recorded for the
fibers of a length 200–956 µm and width 28–59 µm (table 2). The shares of the
fiber classes with a width of 36–52 µm and length above 1711 µm decreased by
6% compared to the HDF pulp.
showing the proportions of fiber areas in each fraction
Rys. 5. Długość i szerokość włókien w mieszaninie składającej się z 70% włókien standardowych i 30% włókien poużytkowych, pokazując udziały powierzchni każdej frakcji
Fiber Analysis 5–55% HDF/ 45% recovered fibers, RF
The length-width fiber data for the 45% addition of RF to the HDF fiber is presented in fig. 6. The changes in the pulp properties continue. Compared to the pulp
with 30% RF content, a further increase (by 2%) in the area share of the length
classes 200–956 µm within the whole range of measured widths can be observed,
amounting to 64% in the fiber numbers and 34% in the area shares (table 2).
In addition, a decrease (by 2%) in the fiber classes of width 36–52 µm and length
above 1711 µm was noticed.
97
showing the proportion of fiber areas in each fraction
Rys. 6. Długość i szerokość włókien w mieszaninie składającej się z 55% włókien standardowych i 45% włókien poużytkowych, pokazujące udziały powierzchni każdej frakcji
Selected numerical results are presented in table 2.
Table 2. Fiber area and fiber number data for selected pulp fractions for various
mixtures of HDF and RF fibers
Tabela 2. Powierzchnia włókien i dane liczbowe dotyczące włókien standardowych i poużytkowych oraz ich mieszanin na płyty HDF
Fiber area share
Udziały powierzchni włókien
1
2
Length classes 200–1711
Klasy długości
włókien
3
4
all
200–956
wszystkie
5
all
wszystkie
6
7
8
200–956 200–956 2467–3222 above
powyżej
1711
(μm)
Width classes
Klasy szerokość
włókien
(μm)
28–59
above 52
all
powyżej wszystkie
below 28 28–59
poniżej
9
36–52
36–52
36–52
98
Table 2. Continued
1
2
3
4
5
6
7
8
9
100%HDF
32%
32%
21%
5%
100% RF
53%
33%
43%
6%
14%
8%
12%
32%
31%
18%
6%
18%
15% RF
36%
34%
23%
5%
16%
9%
9%
28%
30% RF
43%
30%
55% RF
45%
32%
32%
5%
22%
13%
8%
26%
34%
5%
24%
14%
7%
24%
Fiber number share
Udziały ilości włókien
Length classes 200–1711
Klasy długości
włókien
all
wszystkie
200–956
all
wszystkie
200–956 200–956 2467–3222 above
powyżej
1711
(μm)
Width classes
28–59
above 52
all
100%HDF
50%
24%
51%
15%
100% RF
64%
24%
71%
15% RF
54%
24%
30% RF
58%
23%
55% RF
60%
23%
Klasy szerokość
włókien
36–52
36–52
36–52
32%
18%
5%
16%
15%
49%
29%
2%
7%
52%
15%
35%
19%
4%
14%
62%
15%
41%
23%
3%
11%
64%
15%
43%
25%
3%
10%
powyżej wszystkie
below 28 28–59
poniżej
(μm)
Summary
The results of the experiments show that the largest changes in the pulp properties occurred with the addition of between 15% and 30% of RF fibers to the HDF
fibers. This can also be confirmed by the mechanical test of the panels produced
from the pulps used [Project 2011]. The strength properties were negatively affected by a decrease in the fiber classes with a longer length (above 1711 µm), and an
increase in swelling was caused by a significant increase in the small fiber classes
(with length 200–956 µm).
The analysis conducted is another example showing that pulp quality assessment can be a useful tool for judging the potential properties of panels produced
from pulp. It is particularly important in situations where new materials are introduced into the production process.
99
Literature
Back E. L. [1987]: The Bonding Mechanism in Hardboard Manufacture. Holzforschung
41 [4]: 247–258
Danecki L., Mrozek M. [2000]: Badania nad stosowaniem słomy zbóż jako dodatku do produkcji płyt drewnopochodnych (Research on the use of cereal straw as an addition to the
production of wood-based panels), OBRPPD nr 441.1470.1.00, Czarna Woda
Danecki L. [2005]: Recykling zużytych mebli i odpadów tworzyw drzewnych (Recycling
of used furniture and used wood-based panels). Biuletyn Informacyjny OBRPPD Czarna
Woda [1–2]: 28–33
Danecki L., Paluchiewicz Z. [2009]: Opracowanie danych dotyczących ilości drewna
poużytkowego z opakowań, palet i płyt o budowie włóknistej (Elaboration of the data
on the amount of post-consumer wood packaging, pallets and used fiberboards). Wydruk
komputerowy (computer printout) OBRPPD Czarna Woda
Hikiert M.A. [2005]: Granica opłacalności spalania surowca drzewnego (The limit of the profitability of burning timber). Biuletyn Informacyjny OBRPPD Czarna Woda [1–2]: 7–13
Kearley V., Goroyias G. [2004]: Wood panel recycling on a semi-industrial scale. Proceedings
of the 8th European Panel Products Symposium, 1–18
Klimczewski M., Nicewicz D., Danecki L. [2009]: Properties
��
of fiberboard pulp manufactured from selected types of recovered wood. Symposium: Proceedings of the International
Panel Products Symposium. Nantes, France 16–18.09
Kokociński W. [2002]: Anatomia drewna (Anatomy of wood). Wyd. PRODRUK Poznań
Nelson N.D. [1973]: Effects of wood and pulp properties on medium-density dry-formed hardboard. Forest Product Journal 23 [9]: 72–80
Park B.D., Kim Y.S., Riedl B. [2001]: Effect of wood-fiber characteristics on medium density
fiberboard (MDF) performance. J. Korean Wood Science and Technology 29 [3]: 27–35
Projekt badawczy (The research project) [2011]: No N N309 136435 finansowany przez
MNiSzW
Ring G.J.F., Bacon A.J. [1997]: Multiple Component Analysis of Fiber Length Distributions,
TAPPI Journal 7: 224–231
Robertson G., Olson J., Allen P., Chan B., Seth R. [1999]: Measurement of fiber length,
coarseness and shape with the fiber quality analyzer, TAPPI Journal 10: 93–98
Roffael E., Behn C., Dix B., Bär G. [2009]: Recycling of UF-bonded fiberboards. Proceedings of the International Panel Products Symposium, Nantes, France 16–18.09; 253–262
Roffael E., Dix B., Behn C., Bär G. [2010]: Use of UF-bonded recycling particle-and fibreboards in MDF-production. European Journal of Wood and Wood Products 68: 121–128
Suchsland O., Woodson G.E. [1991]: Fiberboard manufacturing practices in the United
States. Forest Products Research Society
Xing C., Riedl B., Cloutier A. [2004]: Measurement of urea-formaldehyde resin distribution
as a function of MDF fiber size by laser scanning microscopy. Wood Science Technology
37 [6]: 495–507
100
WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI MAS WŁÓKNISTYCH
PRZEZNACZONYCH NA PŁYTY HDF Z DODATKIEM
WŁÓKIEN POUŻYTKOWYCH
Streszczenie
W niniejszym artykule przedstawiono właściwości mas włóknistych, niezbędne do określenia przydatności tych mas do produkcji płyt HDF. Do badań wykorzystano standardowe włókna z drewna sosnowego pozyskane w warunkach przemysłowych oraz włókna
otrzymane w warunkach laboratoryjnych ze zużytych płyt pilśniowych (włókna poużytkowe). Włókna poużytkowe pozyskano z płyt: „surowych” MDF (80%), lakierowanych
HDF (10%) i „surowych” płyt pilśniowych twardych (10%). Włókna standardowe, włókna poużytkowe i mieszaniny tych włókien przygotowane w różnych proporcjach poddano
analizie w aparacie MorFi. Masa każdej analizowanej próbki wynosiła 2 g z.s. włókien,
co umożliwiło wykonanie ok. 4 tys. pomiarów (długości i szerokości włókien) w każdej
z nich. Udziały procentowe powierzchni włókien określono dla 90 klas (9 klas szerokości
i 10 klas długości).
W wyniku przeprowadzonych badań, na podstawie analizy porównawczej z danymi
otrzymanymi dla mas przemysłowych stwierdzono, że włókna poużytkowe mogą być dodawane do standardowych włókien w ilości 15–30%, bez ujemnego wpływu na właściwości mas przeznaczonych do produkcji HDF.
Jednocześnie wykazano, że ocena jakościowa włókien może być użytecznym narzędziem do oceny potencjalnych właściwości płyt drewnopochodnych o budowie włóknistej, szczególnie w sytuacjach, gdy do wytwarzania płyt stosowane są nowe surowce.
Słowa kluczowe: włókna drzewne, włókna poużytkowe, HDF, wymiary włókien
DOI: 10.12841/wood.1644-3985.032.07
Jānis Iejavs, Uldis Spulle1
COMPRESSION STRENGTH OF THREE-LAYER
CELLULAR WOOD PANELS
The invention of a lightweight panel with the trade mark Dendrolight is one
of the most distinguished wood industry innovations in the last decade. At present,
three-layer cellular wood panels have wide non-structural application. The aim
of the research was to evaluate the compression properties of three-layer cellular
wood panels for structural application. 8 specimens were manufactured for both
perpendicular and parallel compression tests for each of 6 structural panel models.
Scots pine cellular wood and solid pine wood ribs were used as the core layer
of the structural panels. The cellular wood core was placed in a horizontal or vertical
direction. Solid Scots pine wood panels and birch plywood as top layer material
were used. The common stress type in subfloor and wall panels is compression,
therefore the influences of the cellular material orientation, ribs and top layer material on the sandwich-type structural panel compression strength were evaluated
according to LVS EN 408. 15 [LVS EN 408]. Extra parameters, such as the moisture content and apparent density, were determined. Different structural models
have a great effect on the compression strength of cellular wood material panels.
The highest compression strength in a parallel direction, 17.5 MPa, was achieved
with a structural model with cellular material placed vertically, with the ribs and
top layers of solid timber, but in a perpendicular direction, 4.48 MPa was achieved
with a structural model with cellular material placed vertically and the top layers
of plywood. Solid wood ribs significantly influence the compression strength when
the panels are loaded in a parallel direction.
Keywords: lightweight panel, sandwich panel, compression strength.
Introduction
A reduction in the manufacturing, transporting, assembling and exploitation
costs of structural building elements is an important issue due to both ecoloJānis Iejavs, Forest and Wood Products Research and Development Institute,
Jelgava, Latvia
Uldis Spulle, Forest and Wood Products Research and Development Institute,
Jelgava, Latvia
102
Jānis Iejavs, Uldis Spulle
gical and economic aspects. Several researchers [Skuratov 2010; Voth 2009]
have been looking for new lightweight constructions for the manufacture of
wooden houses and for achieving the cost effectiveness of sandwich materials [Pflug et al. 2003]. One way to reduce the weight of the structural elements during the manufacturing process is to modify their structure by replacing the high density material of the members with a lower density material.
The invention by Johann Berger in Austria of a light-weight panel with the trade
mark Dendrolight is one of the most distinguished wood industry innovations
in the last decade.
At present, three-layer cellular wood panels have a wide non-structural application in furniture, internal cladding, door production and the transport manufacturing industry. During the manufacturing process, due to the sawn longitudinal grooves, solid timber becomes by 40% lighter, and it is possible to produce
cellular wood material with a lower density. Since cellular wood material with
its current structure was patented only in 2005, there is a lack of information
about cellular wood material properties for structural application. Initial research
on non-structural cellular wood material [Iejavs et al. 2009] and the opening of
the world’s first industrial plant in Latvia in 2010, with an annual manufacturing
capacity of 65,000 m3 cellular wood panel material, has lead to the necessity of
using cellular wood material as a structural element in building. An initial study
on three-layer cellular wood material panels for structural application was carried out in 2010 [Iejavs et al. 2011], when bending properties were evaluated.
Industrially-produced Scots pine (Pinus sylvestris L.) cellular wood material was
used to produce the core layer of the structural panels. There are several structural
materials (fibreboard, particle board, oriented strand board, plywood and solid
timber panels) which can be combined with cellular material to produce structural
panels. In this research, only solid Scots pine timber panels and birch (Betula pendula L.) plywood as top layer material were evaluated. Wooden ribs were made of
solid Scots pine timber and two different directions of the cellular wood material
were used. In total, six different structural models were designed to evaluate the
compression strength of the panels. Compression is regarded as a common stress
type in structural subfloor and wall panels, therefore the influence of the cellular
material orientation, ribs and top layer material on the compression strength of the
sandwich-type structural panel in a perpendicular and parallel direction to the top
layer of the panel was evaluated according to Standard LVS EN 408. 15 [2010].
Extra parameters, such as moisture content and apparent density, were evaluated.
The aim of the research was to evaluate the influence of the cellular material
orientation, solid timber ribs and top layer material on the compression strength of
the sandwich-type structural panel because compression is a common stress type
in structural panels.
Compression strength of three-layer cellular wood panels
103
Manufacture of the Scots pine cellular material
As the raw material for the cellular wood material production, Scots pine timber
was used with the following nominal dimensions: thickness – 32 mm, width –
112 mm and length – 4200 mm, and a total amount of 6.2 m3. The cellular material
was manufactured industrially on a unique automatic production line especially
designed and built for the production of cellular wood material by Dendrolight
Latvija Ltd. A schematic illustration of the complex cellular wood material production process is given in fig. 1.
Fig. 1. Schematic illustration of the cellular wood material manufacturing process
Rys. 1. Schematyczna ilustracja procesu produkcji drzewnego materiału komórkowego
All significant wood defects were removed before timber finger jointing.
The technical data for the finger jointed pine wood was as follows: finger length –
10 mm, finger pitch – 4 mm, tip gap – 1 mm. A finger joint end pressure
of 12 MPa was applied for at least five seconds. The average moisture content
of the boards was 12%. One component, polyvinylacetate (PVA), was used for
all the gluing operations in the cellular wood material and panel production.
According to Standard LVS EN 204 [LVS EN 204], the moisture resistance class
of the adhesive is D3. Technical information for the resin was as follows: specific
gravity 1080 kg∙m-3; viscosity 8000 m∙Pa∙s (Brookfield, 25°C); spreading amount
60–200 g∙m-2; open and closed assembling time 5 and 8 min; press time 3–6 min
at 60–75°C; end pressure 15 MPa; plane pressure 0.1–1.0 MPa; dry matter 52%
and wood moisture content 5–15%. After finger jointing, the fingers were visible
on the flat face of the timber. During the manufacturing process and before testing, all materials were kept in a constant atmosphere at a temperature of 20±2°C
104
and relative humidity of 65±5% to prevent wood material moisture changes.
A thickness of 28 mm and width of 106 mm were obtained after a four-side planing operation. After this, all the boards were cut to a length of 2010 mm. Following this, 8 double-faced grooves were cut in the longitudinal direction in the flat
faces of the boards with the following groove dimensions: a depth of 24 mm, pitch
of 6.4 mm and width of 3.2 mm. The same PVA adhesive was used in the face gluing
of the grooved boards. Four layers of grooved boards were used to produce cellular wood material blocks. Each layer was aligned horizontally at a 90 degree angle
to the previous layer. The cellular material blocks were produced with a steadily
working heat press. The oscillation method was used to ensure the glue spread from
200 to 300 g∙m-2 between the block layers. Pressing was carried out at a pressure
of 0.2 MPa, at a temperature of 60–75°C and the pressing time was 6 min. After pressing, pine cellular wood material blocks were obtained with the following dimensions: thickness 112 mm, width 1350 mm, length 2500 mm, and a total volume
of 4.03 m3.
Manufacture of the structural panels
12 mm thick 9-layer birch plywood was used as a two-sided top layer material
for the structural models A, C and E (fig. 2). Solid pine planed boards 20 mm
thick and glued flatwise were used as a two-sided top layer material for structural
models B, D and F. The top layer material dimensions in all the structural models
were 300 by 2500 mm. Two solid planed pine ribs with strength class C24 in an
edgewise direction were placed in structural models A and B. The dimensions
of the ribs were: thickness – 20 mm, width – 112 mm, length – 2500 mm, and the
pith was 112 mm. After the block cutting of the cellular wood material to certain
dimensions, the cellular wood material was glued in the panels in two directions:
horizontally and vertically (fig. 2).
Fig. 2. Directions of the cellular wood material: a – horizontal; b – vertical
Rys. 2 Kierunki drzewnego materiału komórkowego: a – poziomy; b – pionowy
The cellular wood material was installed in a vertical direction in structural
models E, B, E and F, and in a horizontal direction in structural models C and D.
An illustration of the panels is given in fig. 3.
105
Fig. 3. Illustration of the panel structural models A-F
A – vertical direction of cellular material, with ribs and top layers of plywood; B – vertical
direction of cellular material, with ribs and top layers of solid timber; C – horizontal
direction of cellular material and top layers of plywood; D – horizontal direction of cellular
material and top layers of solid timber; E – vertical direction of cellular material and top
layers of plywood; F – vertical direction of cellular material and top layers of solid timber
Rys. 3. Ilustracja modeli strukturalnych płyty A-F
A – materiał komórkowy ułożony w kierunku pionowym z żebrami i górnymi warstwami
ze sklejki; B – materiał komórkowy ułożony w kierunku pionowym z żebrami i górnymi
warstwami z litego drewna; C – materiał komórkowy ułożony w kierunku poziomym
z górnymi warstwami ze sklejki; D – materiał komórkowy ułożony w kierunku poziomym
z górnymi warstwami z litego drewna; E – materiał komórkowy ułożony w kierunku pionowym
z górnymi warstwami ze sklejki; F – materiał komórkowy ułożony w kierunku pionowym
z górnymi warstwami z litego drewna
In total, the structural models (A–F) of six cellular wood material panels were
manufactured. Eight samples for each model and each direction were used to determine the compression strength. The characteristics of the panel samples are
given in table 1.
136
152
136
152
136
152
A
B
C
D
E
F
głębokość
depth
300
mm
szerokość
i długość
width and
length
prostopadłym
Perpendicular
Model
strukturalny
Structural
model
300
głębokość
depth
152
136
152
136
152
136
szerokość
i długość
width and
length
Parallel
równoległym
Wymiary próbek do badań w kierunku
Sample dimensions for each test direction
Tabela 1. Charakterystyka próbek modeli strukturalnych płyt
Table 1. Characteristics of samples of panel structural models
no
no
nie
vertical
pionowy
nie
no
no
nie
pionowy
vertical
poziomy
horizontal
nie
horizontal
poziomy
tak
yes
pionowy
vertical
yes
z drewnianymi
żebrami
with wooden
ribs
tak
112
mm
grubość
thickness
pionowy
vertical
kierunek
materiału
komórkowego
cellular
material
direction
Core layer
warstwa wewnętrzna
pine
sosna
sklejka
plywood
pine
sosna
sklejka
plywood
pine
sosna
sklejka
plywood
materiał
material
20
12
20
12
20
12
mm
grubość
thickness
Top layer
górna warstwa
106
107
The rib gluing to the cellular material and the covering of the cellular
material with the top layers was carried out with a PVA adhesive. The adhesive
in these operations was applied manually with a hand roller, and the average glue
spread was measured at 200 g∙mm-2. An hydraulic cold press was used in the manufacturing of the panels with plane pressure at 0.2 MPa and a pressing time of
20 min. In the further panel development process, the non-structural PVA adhesive is replaced by a structural adhesive to provide the necessary heat resistance and
delamination properties.
Test methods and data processing
Before testing all the specimens were conditioned in a standard atmosphere
of 65±5% relative humidity and at a temperature of 20±2°C to the constant mass.
The apparent densities of the panels were determined before the compression tests
by measuring and dividing the mass by the dimensions of the full cross-section
specimens. The moisture content from 50 mm long specimens with a full panel
cross-section was determined after the compression test by a weighing and drying method. Drying was carried out at 103°C until a constant mass was obtained
according to Standard LVS EN 13183-1 [2003]. Static compression tests were carried out using an Instron 600 kN material testing device. The 8 specimens for each
structural model were tested at compression in both a perpendicular and a parallel
direction to the top layers of panels, according to Standard LVS EN 408. 15 [2010].
The load was applied at constant loading-head movement, adjusted so that the
maximum load was reached within 300±120 s. All the panels were stressed
until their rupture. Only the mean values of each panel’s moisture content and
apparent density were evaluated. To compare the mean values of the different
structural model compression strengths acquired from the 8 specimens, an independent sample t-test with a p-value method (α = 0.05) was used. The mean
values and a 95% confidence interval for the mean are presented in fig. 3 and 4.
To compare the compression strength values of the cellular wood material panels with solid wood and CLT (cross-laminated timber), the characteristic values
of the compression strengths of all the structural models were evaluated according
to Standard LVS EN 14358 [2007].
The average apparent densities of the panels varied from 363 kg m-3 to 404 kg m-3,
the highest values being in structural models A (404 kg m-3) and B (400 kg m-3).
The lowest apparent densities were observed in model D (363 kg m-3). For structural models E and F, the average apparent density was equal to 389 kg m-3.
An average apparent density of 382 kg m-3 was achieved with structural model C.
The three-layer cellular wood material panels compared with the solid pine timber
108
at 12% moisture content [Wagenführ 1996] provided 22% less apparent density
on average. The average panel moisture content varied from 12.2% to 12.5% after
conditioning. Initial research showed that different structural models have a great
effect on the compression strength of the cellular wood material panel perpendicular to the top layer of the panel. The influence of the structural models on
the cellular wood material compression strength in the parallel and perpendicular
direction is given in fig. 4., which presents the mean values and a 95% confidence
interval for the compression strength mean.
Fig. 4. The influence of the structural model panel of cellular wood material (fig. 2)
on panel compression strength properties
Rys. 4. Wpływ modelu strukturalnego płyty z drzewnego materiału komórkowego (rys. 2)
na właściwości płyty w zakresie wytrzymałości na ściskanie
The highest compression strength in the perpendicular direction was achieved with structural model E (mean value 4.48 MPa) with cellular material placed
vertically and top layers of plywood, and the difference between models A and
E with and without ribs was not as significant as for models B and F. Due to the
density difference of the top layer materials for structural models B and F with
solid wood top layers, they indicated significantly lower compression strength
values when loaded perpendicularly compared to structural models A and E with
external layers of plywood. The inserted wooden ribs in models A and B did not
significantly increase the compression strength of the panels compared with models E and F without ribs, when the panels were loaded perpendicular to the top
layer of the panel, due to the similar compression strength properties of the cellular wood material placed vertically and the solid timber perpendicular to the
grain. The lowest compression strength, 1.35 N∙mm-2, was observed in the case of
structural model C. Due to the cellular wood material structure and various grain
109
orientations against the top layers, models C and D, with horizontally-inserted
cellular wood material, showed significantly lower compression strength values
compared with models E and F, where vertically-oriented cellular wood material
was used. The typical type of fracture in the panels when loaded perpendicularly
is given in fig. 5.
Fig. 5. Type of fracture in panels when loaded in a perpendicular direction: a – model
B; b – model C
Rys. 5. Rodzaj pęknięcia w płytach pod wpływem obciążenia w kierunku prostopadłym:
a – model B; b – model C
The characteristic values of the compression strength of the structural models
of each panel are given in table 2.
Table 2. Compression strength characteristic values for six panel models
Tabela 2. Charakterystyczne wartości wytrzymałości na ściskanie dla sześciu modeli płyt
Structural model
Model strukturalny
Compression strength characteristic values
Charakterystyczne wartości wytrzymałości na ściskanie
MPa
perpendicular
parallel
w kierunku prostopadłym
w kierunku równoległym
A
3.10
9.61
B
2.88
15.20
C
1.22
5.90
D
1.14
9.73
E
3.86
6.59
F
2.81
11.90
The characteristic compression strength values obtained for all the structural models varied from 1.14 MPa (model D) to 3.86 MPa (model E) when the
panels were loaded in a perpendicular direction. The characteristic values of the
compression strength of the panels in a perpendicular direction are comparable
with the softwood structural timber compression strength values perpendicular
110
to the grain. According to LVS EN 338 [2010], softwood structural timber compression strength values in a perpendicular direction for strength classes C14 to
C50 should vary from 2.0 to 3.2 MPa. Only structural models C and D, with the
cellular material placed horizontally showed lower compression strength characteristic values compared to the characteristic value of the compression strength
of structural timber strength class C14. The characteristic compression strength
perpendicular to the grain of the cross-laminated timber panels varies from
2.85 MPa [Bogensperger et al. 2011] to 3.3 MPa [Serrano, Enquist 2010]. When
loaded in a perpendicular direction, structural panel models A and E with the
cellular material placed vertically, with or without ribs, and with top layers of
plywood, provide higher compression strength values compared with the cross-laminated timber panels. The influence of the structural model on the compression strength of the cellular wood material panel in a parallel direction is given
in fig. 3.
The research shows that different structural models also have a significant
effect on the cellular wood material panel compression strength in a parallel direction. Due to the parallel orientation between the grain direction of the solid
timber top layers, the solid ribs grain direction and the load direction, the highest
compression strength in a parallel direction was achieved with structural model B
(17.5 N/mm2) with the cellular material placed vertically, while the lowest was
achieved with model C with the cellular material placed horizontally, the top layers of plywood and without ribs. Structural models B, D and F, with 20 mm solid
wood top layers, indicated significantly higher compression strength values when
loaded in a parallel direction compared to structural models A, C and E, with
external layers of 12 mm birch plywood, due both to the significant top layer
crosscut area difference and the compression strength difference between the solid
timber in the direction of the grain and the plywood compression on edge. The solid wood ribs in models A and B significantly increased the compression strength
of the panels compared with model E and F without ribs, when loaded in a parallel direction to the top layer. Models C and D, with horizontally-inserted cellular
wood material, showed various results compared with model E (difference was
not significant) and F (difference was significant), where vertically-installed cellular wood material was applied. The typical type of fracture of the panels when
loaded in a parallel direction is given in fig. 6.
The characteristic compression strength values obtained for all the structural
models varies from 5.90 MPa (model C) to 15.2 MPa (model B) when the panels were loaded in a perpendicular direction. The compression strength characteristic values of panels in a parallel direction were significantly lower than the
softwood structural timber compression strength values parallel direction to the
grain. According to LVS EN 338 [2010], softwood structural timber compression
strength values in a parallel direction for strength classes C14 to C50 vary from
16 to 29 MPa. Only structural model B with the cellular material placed vertically,
111
with ribs and top layers of solid timber, showed a compression strength characteristic value close to the compression strength characteristic value of structural timber strength class C14 of 16 MPa. The cellular wood panels in a parallel
direction showed a significantly higher compression strength compared with
panels in a perpendicular direction. The influence of the solid wood ribs on the
panel’s compression strength was directly dependent on the direction of the load.
When the panels were loaded in a parallel direction, the solid wood ribs increased the compression strength significantly, but when loaded perpendicularly, no
influence was observed. The direction of the cellular core material influenced the
compression strength when the panels were loaded in a perpendicular direction.
The results indicate that further development is required related to other structural properties of panels. In future, innovative products and production strategies
might be developed based on promising cellular wood material.
Fig. 6. Type of fracture in panels when loaded in a parallel direction: a – model D;
b – model F
Rys. 6. Rodzaj pęknięcia w płytach pod wpływem obciążenia w kierunku równoległym:
a – model D; b – model F
Conclusions
1. The research shows that different structural models have a great effect on the
cellular wood material panel compression strength when loaded perpendicularly and in a parallel direction to the top layer of the panel.
2. Structural models with 20 mm solid wood top layers indicated significantly
higher compression strengths in the parallel direction, but significantly lower
values when loaded perpendicular to the top layer, compared to the structural
model with external layers of 12 mm birch plywood.
112
3. Solid wood ribs significantly increase the compression strength when the
panels are loaded in a parallel direction to the top layer, but no significant
increase was observed in a perpendicular direction.
4. Horizontally-inserted cellular wood material most often shows significantly
lower compression strength values compared to panels with vertically-inserted cellular wood material.
Acknowledgements
This initial study was carried out within the project “Elaboration of innovative self-supporting panels and building elements made of cellular wood material” no.
2010/0248/2DP/2.1.1.1.0/10/APIA/VIAA/019 co-financed by the European Union within
the project framework of the European Regional Development Fund.
References
Bogensperger T., Augustin M. & Schikhofer G. [2011]: Properties of CLT – Panels Exposed
to Compression Perpendicular to Their Plane. At the conference: International Council for
Research and Innovation in Building and Construction, Working Commission W18 – Timber Structures, 28 August – 1 September, Alghero, Italy: Karsluhe: 1–15
Iejavs J., Spulle U., Domkins A. & Buksans E. [2009]: Dendrolight tipa vieglās plātnes no
apses koksnes (Dendrolight Panels Produced from Aspen Wood). In the report: Lapu koku
audzēšanas un racionālas izmantošanas pamatojums, jauni produkti un tehnoloģijas. Riga,
Latvia: Latvian State Institute of Wood Chemistry. (UDK 630.2+6308 La 625)
Iejavs J., Spulle U. & Jakovļevs V. [2011]: Evaluation of Bending Properties of Three Layer
Cellular Wood Panels Using Six Different Structural Models. In: 17th Annual International
Scientific Conference Proceedings Research for rural development 2011, Volume No. 2,
18–20 May 2011 Jelgava, Latvia: Latvia University of Agriculture: 85–90
Pflug J., Vangrimde B. & Verpoest I. [2003]: Material Efficiency and Cost Effectiveness of
Sandwich Materials. At: Sampe Conference, May 2003 (pp. 1925–1937). Longbeach, USA
Serrano E. & Enquist B. [2010]: Compression Strength Perpendicular to Grain in Cross-Laminated Timber (CLT). At: World Conference on Timber Engineering, 20–24 June 2010
Riva del Garda, Trentino, Italy: Linnaeus University, Faculty of Science and Engineering,
School of Engineering: 1–8
Skuratov N. [2010]: New lightweight solid wood panels for green building. At: International
Convention of Society of Wood Science and Technology and United Nations Economic
Commission for Europe – Timber Committee, Paper IW-4, October (pp. 1–7). Geneva,
Switzerland: 11–14
Wagenführ R. [1996]: Holzatlas, 4, Leipzig, Germany: Fachbuchverl
Voth C.R. [2009]: Lightweight sandwich panels using small-diameter timber wood-strands
and recycled newsprint cores. PhD thesis. Retrieved March 13, from http://www.dissertations.wsu.edu/Thesis/Fall2009/c_voth_120609.pdf
113
List of standards
LVS EN 13183-1 [2003]: Moisture content of a piece of sawn timber – Part 1: Determination
by oven dry method. Riga, Latvia
LVS EN 14358 [2007]: Timber structures – Calculation of characteristic 5-percentile values
and acceptance criteria for a sample. Riga, Latvia
LVS EN 338 [2010]: Structural timber – Strength classes. Riga, Latvia
LVS EN 408 [2010]: Timber structures – Structural timber and glued laminated timber – Determination of some physical and mechanical properties. Riga, Latvia
WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCISKANIE TRÓJWARSTWOWYCH
PŁYT KOMÓRKOWYCH
Streszczenie
Wynalezienie płyty lekkiej oznaczonej znakiem towarowym Dendrolight stanowi jedną
z najznakomitszych innowacji w przemyśle drzewnym w ostatniej dekadzie. Obecnie trójwarstwowe płyty komórkowe są szeroko rozpowszechnione w zastosowaniach niekonstrukcyjnych, tj. meblach, okładzinach wewnętrznych, produkcji drzwi oraz w przemyśle
transportowym.
Celem badań była ocena właściwości trójwarstwowych��
płyt komó��
rkowych w zakresie ich wytrzymałości na ściskanie pod kątem zastosowań konstrukcyjnych. Dla każdego z sześciu modeli płyty konstrukcyjnej wytworzono osiem próbek do wykorzystania
w badaniach wytrzymałości na ściskanie prostopadłe do kierunku włókien i ściskanie
wzdłuż włókien. Jako rdzenia w płytach konstrukcyjnych użyto drewna komórkowego
z sosny zwyczajnej oraz żeber z litego drewna sosnowego. Rdzeń z drewna komórkowego umieszczono w kierunku poziomym lub pionowym. Płyty z litego drewna sosny
zwyczajnej oraz sklejka brzozowa zostały wykorzystane jako materiał na górną warstwę.
Głównym rodzajem naprężenia występującym w warstwie podpodłogowej oraz w płytach
ściennych jest ściskanie, zatem wpływ ukierunkowania materiału komórkowego, żeber
i materiału z górnej warstwy na wytrzymałość na ściskanie płyt konstrukcyjnych
różnowarstwowych został oceniony zgodnie z normą LVS EN 408 [2010]. Określono dodatkowe parametry, takie jak wilgotność i gęstość pozorną.
Różne modele konstrukcyjne wywierają znaczny wpływ na wytrzymałość na ściskanie płyty z komórkowego materiału drzewnego. Najwyższą wytrzymałość na ściskanie
w kierunku wzdłuż włókien, tj. 17,5 MPa, otrzymano w przypadku modelu konstrukcyjnego z umieszczonym pionowo materiałem komórkowym oraz z żebrami i górnymi warstwami wykonanymi z litego drewna, jednakże, w przypadku wytrzymałości na ściskanie
w kierunku prostopadłym do włókiem, najlepszy wynik, tj. 4,48 MPa, uzyskano dla modelu strukturalnego, w którym materiał komórkowy umieszczono pionowo, a górne warstwy
wykonano ze sklejki. Żebra z litego drewna wywierają znaczący wpływ na wytrzymałość
na ściskanie, kiedy płyty są obciążane w kierunku wzdłuż włókien.
Słowa kluczowe: płyta lekka, płyta różnowarstwowa, wytrzymałość na ściskanie
DOI: 10.12841/wood.1644-3985.022.08
Kazimierz A. Orłowski, Adam Walichnowski1
ANALIZA EKONOMICZNA PRODUKCJI WARSTW
LICOWYCH PODŁÓG KLEJONYCH WARSTWOWO
W artykule przedstawiono wyniki analiz wydajności liniowej, a także struktury
kosztów produkcji, za pomocą cienkich pił na pilarce ramowej wielopiłowej i taśmowej, dębowych elementów licowych podłóg klejonych warstwowo. Stwierdzono,
że przy przecinaniu deszczułek o grubości 4 mm o szerokości mniejszej od @180
mm bardziej wydajna jest pilarka ramowa wielopiłowa, zaś w pozostałych przypadkach widać przewagę wydajności pilarki taśmowej. W obu technologiach przecinania struktury kosztów całkowitych są podobne, a koszty surowca mają udziały
największe, przekraczające 80% i różnią się od struktury kosztów typowego tartaku
europejskiego.
Słowa kluczowe: podłoga klejona warstwowo, warstwa licowa, cienkie piły, pilarka ramowa, pilarka taśmowa, struktura kosztów produkcji
Wprowadzenie
Struktura kosztów zakładu zajmującego się przerobem drewna jest jednym z najważniejszych czynników decydujących o dochodach przedsiębiorstwa. W tradycyjnym tartaku w strukturze kosztów największy udział ma składnik materiałowy
związany z przecieranym surowcem, dochodzący do 70%, koszty pracownicze
stanowią 15%, udział środków trwałych wynosi 10%, a 4% to koszty pozostałe.
Należy nadmienić, że udział kosztów narzędziowych wynosi zaledwie 1%, na co
rzadko kiedy zwraca się uwagę [Sandvik 1999]. Z kolei Steele et al. [1992] twierdzą, że koszty materiałowe obejmować mogą nawet 75% lub więcej. Wspomniane wartości można przyjąć za bardzo prawdopodobne dla zakładów europejskich
oraz Ameryki Północnej, gdyż całkiem przeciwstawne wartości kosztów stałych
podaje Wessels [2009], za raportem z Republiki Południowej Afryki [Crickmay and
Kazimierz A. Orłowski, Politechnika Gdańska, CNR-IVALSA (National Research,
Council of Italy – Timber and Trees Institute), Gdańsk, Polska
Adam Walichnowski, Eaton Truck Components sp. z o.o., Tczew, Polska
116
Kazimierz A. Orłowski, Adam Walichnowski
Associates 2007], gdzie aż 50% stanowią koszty stałe. Przedstawiane wartości składowych kosztów całkowitych przeciętnego tartaku dotyczą operacji przecierania
drewna z wykorzystaniem tradycyjnych technologii przecinania piłami. Z kolei, dla
operacji rozpiłowywania drewna za pomocą cienkich pił na pilarkach ramowych,
taśmowych bądź tarczowych, co ma miejsce przy produkcji elementów składowych
podłóg klejonych warstwowo, brak jest w dostępnej literaturze tego typu analiz.
Na etapie rozwoju produkcji lub modernizacji parku maszynowego inwestor
musi podjąć decyzję, którą z oferowanych na rynku maszyn technologicznych powinien wybrać. Zadanie to niestety nie należy do łatwych, gdyż na decyzje może
wpływać wiele parametrów. Honczarenko [2008] podaje motto, które powinno
przyświecać tego typu zadaniu decyzyjnemu: „Obrabiarka powinna być tylko tak
dobra, jak tego wymaga spektrum przedmiotów, jakie mają na niej być obrabiane. Na tyle zgrubnie, na ile to możliwe. Na tyle dokładnie, na ile to konieczne”.
Wybór obrabiarki następuje często bez uwzględniania kosztów, a jedynie przy
uwzględnianiu takich cech, jak możliwości technologiczne i wydajność.
W firmach niemających odpowiedniego systemu doboru maszyn stosunek
kryteriów subiektywnych do negatywnych wynosi 80/20 i jest przybliżony do
proporcji spotykanych przy zakupie samochodów, w których wynosi 90/10.
W tym przypadku decyduje wyczucie, przy czym kwestia gustu stoi na pierwszym
planie. Podobnie w przypadku pilarek lub innych maszyn technologicznych, istotną rolę odgrywa również stopień zadowolenia z modelu, który został wprowadzony na rynek jako ostatni. Proporcje te, przedstawiane i uzasadniane niekiedy jako
obiektywne, przy dużych nakładach mogą się zmienić na stosunek 50/50. Tego
rodzaju postępowanie może poprawić znacznie ekonomiczne wykorzystanie maszyn poprzez to, że wybrana zostaje technika zorientowana na cel [Steiner 2003].
Przed dokonaniem ostatecznego wyboru obrabiarki istotne jest zdefiniowanie
minimalnych wymogów i dokonanie wyboru wstępnego. Sformalizowanie podejmowania decyzji jest zadaniem trudnym, pomocnym w doborze obrabiarki może
być zastosowanie następujących metod oceny i doboru cech stosowanych w różnych dziedzinach techniki: punktacji wagowej [Kolman 1991; VDI 1998; Wrotny
1986], wnioskowania rozmytego lub systemu eksperckiego [Honczarenko 2008].
Działania w tym zakresie mogą wykorzystywać specjalne modele teoretyczne,
zaimplementowane do programów komputerowych, wspomagających podejmowanie decyzji [Gola 2010].
W niniejszym opracowaniu zostaną przeanalizowane aspekty ekonomiczne
w postaci struktury kosztów produkcji za pomocą cienkich pił elementów licowych
podłóg klejonych warstwowo. Analizie zostaną poddane jedynie pilarki ramowe wielopiłowe i taśmowe, tzw. cienko tnące [Neva – Ogden 2008; Neva 2008;
Wintersteiger 2011 a, b], w których w przekroju poprzecznym lameli nie występują błędy przecinania w postaci uskoków, co niestety często towarzyszy przecinaniu na pilarkach tarczowych dwuwrzecionowych [Vuorilehto 2001; Orłowski,
Wasielewski 2008].
Analiza ekonomiczna produkcji warstw licowych podłóg klejonych warstwowo
117
Metodologia badań
Badania struktury kosztów produkcji elementów licowych podłóg klejonych warstwowo za pomocą cienkich pił przeprowadzono na podstawie danych uzyskanych
od jednego z producentów z Polski Północnej, specjalizującego się w wytwarzaniu podłóg klejonych z warstwą zewnętrzną w postaci jednej lameli. Warstwy
licowe z drewna dębowego występujące w tym zakładzie mogą mieć grubość
nominalną 4 lub 6 mm. Na rys.1 przedstawiono procentowe udziały szerokości
lameli w produkcji miesięcznej przy pracy na trzy zmiany.
Rys. 1. Udziały procentowe UW szerokości W produkowanych deszczułek o grubości
4 i 6 mm w ciągu miesiąca na trzy zmiany
Fig. 1. Percentage share UW of lamellae width W for lamellae of a thickness of 4 mm and
6 mm, during a month’s production of three shifts
Należy nadmienić, że wysokość przecinania ma wpływ na prędkość posuwu
(wydajność liniową procesu przecinania). To oznacza, że wraz ze wzrostem wysokości przecinania musi jednocześnie następować redukcja prędkości posuwu
w celu zmniejszenia obciążeń piły, gdyż siła posuwu wpływa na obniżenie sztywności roboczej brzeszczotu piły [Orłowski 2004; Prokofiev 1990]. Oprócz tego,
przy produkcji tego typu cienkich elementów nigdy nie wykorzystuje się pełnego
zakresu zmian prędkości posuwu, gdyż głównym celem jest osiągniecie pożądanej
dokładności przecinania. Dla potrzeb niniejszej pracy w dalszych analizach przyjęto, że deszczułki dla każdej z grubości są produkowane w takich samych długościach (proporcja 1:1). Założono również, że analizie zostaną poddane jedynie
pilarki ramowe wielopiłowe PR i taśmowe PT, tzw. cienko tnące, które występują
w ofercie dwu europejskich producentów. Stosunek ceny pilarki taśmowej do ceny
pilarki ramowej mieści się w zakresie 0,9–1,05, w zależności od producenta, dlatego
też do dalszych obliczeń przyjęto, że wspomniany stosunek cen równa się jedności.
118
Grubość elementu wyjściowego G (rys. 2) jest obliczana z zależności:
G = nE (g E + 2 N s ) + 2Sb + (nE − 1)St
(1)
gdzie: nE – liczba podstawowych pił kształtujących o rozwarciu całkowitym St,
w obróbce wielonarzędziowej (pilarka ramowa, rys. 2) lub liczba
przejść w obróbce jednonarzędziowej (pilarka taśmowa),
gE – grubość deszczułki (lameli),
Sb – naddatek obróbkowy na wyrównanie skrajnego elementu rozpiłowywanego półfabrykatu (pryzmy, fryzu),
Ns – naddatek na szlifowanie.
Ta ostatnia wartość, która w dalszych obliczeniach była przyjmowana na
trzech poziomach wartości 0; 0,1 oraz 0,2 mm, jest uwzględniana z uwagi na występującą w linii technologicznej szlifierkę przeznaczoną do egalizacji powierzchni deszczułek, w celu zapewnienia ich jednakowej grubości. Z jednego elementu o grubości G otrzymuje się nd = 4 deszczułki o grubości nominalnej 4 mm
(w sprzęgu w ramie piłowej znajdują się w tym przypadku cztery zestawy pił do
obróbki elementów G, czyli całkowita liczba deszczułek ze sprzęgu wynosi szesnaście sztuk) i nd = 3 deszczułki o grubości nominalnej 6 mm (w tym przypadku
w sprzęgu są trzy zestawy pił do obróbki elementów G, czyli całkowita liczba
deszczułek ze sprzęgu wynosi dwanaście sztuk).
Teoretyczne bezwzględne straty materiałowe ΔS dla analizowanej operacji
przecinania można wyznaczyć z równania:
DS = G − nE g E
(2)
Rys. 2. Naddatki obróbkowe przy przecinaniu na pilarce ramowej wielopiłowej elementu o grubości G
Fig. 2. Machining allowances while sawing an element of thickness equal to G on a sash
gang saw
119
Koszty maszynogodziny pilarki taśmowej i ramowej wyznaczono z zależności [Bullinger et al. 1993]:
(3)
gdzie: KMh – koszt maszynogodziny,
KA – koszty odpisów amortyzacyjnych,
KZ – koszty odsetek,
KR – koszty lokalowe,
KE – koszty energii,
KI – koszty utrzymania maszyny w ruchu,
KN – koszty narzędziowe,
KPB – koszty personelu bezpośredniego,
KPP – koszty personelu pośredniego,
TN – roczny fundusz czasu pracy maszyny (czas użytkowania,
TN = 6048 h/rok przy pracy na trzy zmiany).
Wszelkie niezbędne dane do obliczeń, łącznie z ceną surowca (drewno dębowe), uzyskano z analizowanego zakładu produkcyjnego, a także od producentów
pilarek i narzędzi1 jako efekt ich odpowiedzi na przygotowaną w tym celu ankietę
[Walichnowski 2012].
Wyniki i dyskusja
W tabeli 1 przedstawiono wydajności liniowe i powierzchniowe z uwzględnieniem udziałów procentowych UW deszczułek o szerokości W dla grubości 4 mm
oraz 6 mm.
Średnia ważona zredukowanych prędkości posuwu, do przypadku obróbki jednonarzędziowej, z uwzględnieniem udziałów szerokości UW dla deszczułek o grubości 4 mm wynosi v f 1 (UW ) = 7,78 m⋅min-1, a w przypadku grubości
6 mm wartość ta równa się v f 1 (UW ) = 5,37 m⋅min-1. Biorąc pod uwagę założenie, że warstwy licowe o grubości 4 mm i 6 mm są produkowane w proporcji 1:1, do dalszych analiz przyjęto dla pilarki ramowej średnią arytmetyczną
ze średnich ważonych zredukowanych prędkości posuwu, do przypadku obróbki jednonarzędziowej, z uwzględnieniem udziałów szerokości UW deszczułek
v f 1 (UW ) = 6,38 m⋅min-1.
Dla pilarek taśmowych, w zastosowaniu do produkcji elementów składowych
podłóg klejonych warstwowo, producenci zalecają stosowanie prędkości posuwu
równej vf = 7 m⋅min-1, pomimo iż w katalogach wartości maksymalne dochodzą w wysokoprecyzyjnych i specjalnych aplikacjach do 15 m⋅min-1. Porównując
1
Nazwy firm w tej części nie są podawane w celu uniknięcia zarzutu kryptoreklamy.
120
obydwie pilarki, można stwierdzić, że przy produkcji deszczułek 4-milimetrowych, o strukturze programu produkcyjnego jak w badanym zakładzie, stosunek
wydajności liniowej pilarki ramowej do wydajności liniowej pilarki taśmowej
wynosi 1,11. Z kolei przy produkcji warstw licowych o grubości 6 mm stosunek
ten przyjmuje wartość 0,77. Biorąc zaś pod uwagę wcześniej poczynione założenie o proporcji produkcji 1:1, a więc jednakowej wartości średniej prędkości
posuwu dla obydwu typów deszczułek, stosunek wydajności liniowych równa
się 0,94.
Tabela 1. Wydajności liniowe i powierzchniowe przy produkcji deszczułek o grubości
4 mm i 6 mm na pilarce ramowej wielopiłowej
Table 1. Linear and surface efficiencies during the sawing of lamellae of 4 mm and 6 mm in
thickness on a mini sash gang saw
W = Hp
UW
vf
Σnd
vf1
vf1(UW)
QF
m
[–]
m×min-1
[–]
m×min-1
m×min-1
m2×min-1
4
6
4
6
4
6
0,12
mm
0,03 0,02 0,60
4
6
4
0,60
6
4
9,6
7,2
0,29
0,14
1,15
0,86
0,14
0,44 0,08 0,55
0,55
8,8
6,6
3,87
0,53
1,23
0,92
0,16
0,12 0,22 0,50
0,50
8,0
6,0
0,96
1,32
1,28
0,96
0,18
0,25 0,38 0,45
0,45
7,2
5,4
1,8
2,05
1,30
0,97
0,20
0,04 0,12 0,40
0,40
6,4
4,8
0,26
0,58
1,28
0,96
0,22
0,04 0,17 0,35
0,35
5,6
4,2
0,22
0,71
1,23
0,92
0,24
0,08 0,01 0,30
0,30
4,8
3,6
0,38
0,04
1,15
0,86
16
6
12
Hp – wysokość przecinania; vf – prędkość posuwu; Σnd – liczba deszczułek w sprzęgu; vf1 = vf× Σnd
– zredukowana prędkość posuwu do przypadku obróbki jednonarzędziowej (wydajność liniowa);
vf1(UW) = UW ×vf× Σnd – zredukowana prędkość posuwu do przypadku obróbki jednonarzędziowej (wydajność liniowa) z uwzględnieniem udziałów szerokości UW; QF = vf1×W – wydajność powierzchniowa przecinania zredukowana (z uwzględnieniem udziałów szerokości deszczułek UW)
Hp – cutting depth; vf – feed speed; Σnd – lamellae number in the gang; vf1 = vf× Σnd – reduced feed speed
as for single saw blade; vf1(UW) = UW ×vf× Σnd – reduced feed speed as for single saw blade with percentage share UW of lamellae width W taken into account; QF = vf1×W – reduced surface efficiency
Na podstawie przebiegów (rys. 3) wydajności liniowych pilarki ramowej
wielopiłowej oraz taśmowej w funkcji szerokości warstw licowych i grubości
deszczułki można stwierdzić, że w przypadku przecinania deszczułek o grubości
4 mm o szerokości mniejszej od @180 mm bardziej wydajna jest pilarka ramowa
wielopiłowa. W pozostałych przypadkach widać przewagę wydajności pilarki taśmowej.
Wartości bezwzględnych strat materiałowych DSm przypadających na jeden
element wyjściowy G w funkcji grubości warstw licowych, naddatków na szlifowanie i rodzaju obrabiarki pokazano w tabeli 2.
121
Rys. 3. Wydajność liniowa (prędkość posuwu) pilarki ramowej wielopiłowej PR
i specjalizowanej pilarki taśmowej PT w funkcji szerokości i grubości warstwy licowej
Fig. 3. Linear efficiency of a mini sash gang saw PR and a specialized bandsawing machine
PT in relation to width and thickness of lamellae upper layer
Tabela 2. Bezwzględne straty materiałowe, grubości elementów wyjściowych w funkcji wartości rzazu i naddatków obróbkowych dla pilarki ramowej PR i taśmowej PT
Table 2. Raw material absolute losses, blank thickness as a function of the kerf (overall set)
and machining allowances for a mini sash gang saw PR and a bandsawing machine PT
PR
Jednosyka
Ns
mm
St
mm
0
0,1
PT
0,2
0
1,4
0,1
0,2
1,7
Sb
mm
G(4)
mm
20,6
21,4
22,2
21,1
21,9
22,7
G(6)
mm
21,2
21,8
22,4
21,4
22,0
22,6
ΔSm(4)
mm
4,6
5,4
6,2
5,1
5,9
6,7
ΔSm(6)
mm
3,2
3,8
4,4
3,4
4,0
4,6
ΔSm av
mm
3,9
4,6
5,3
4,25
4,95
5,65
0,2
0
G(4) – grubość elementu wyjściowego (półfabrykatu) do produkcji deszczułek o 4 mm, G(6) – grubość elementu wyjściowego (półfabrykatu) do produkcji deszczułek o 6 mm, ΔSm(4) – bezwzględne
straty materiałowe na jeden element G(4), ΔSm(6) – bezwzględne straty materiałowe na jeden element G(6)
G(4) – blank thickness for resawing while 4 mm lamellae are produced, G(6) – blank thickness for resawing while 6 mm lamellae are produced,ΔSm(4) – raw material absolute losses for one blank G(4), ΔSm(6)
– raw material absolute losses for one blank G(6)
122
Na rys. 4 przedstawiono wyznaczone struktury kosztów maszynogodziny
pilarek ramowej i taśmowej, w których uwzględniono również udziały kosztów
narzędziowych, dla przypadku produkcji lamel o szerokości 180 mm i grubości
4 mm. Dla pilarki ramowej największy udział w strukturze kosztów mają koszty
narzędziowe (36%), koszty utrzymania maszyny w ruchu (25%) i koszty personelu bezpośrednie (17%). W przypadku pilarki taśmowej koszty narzędziowe (30%)
również mają największy udział, następnie koszty personelu bezpośrednie (28%)
i koszty utrzymania maszyny w ruchu (21%). Pozostałe składowe są dla obydwu
typów pilarek zbliżone.
Rys. 4. Struktura kosztów maszynogodziny pilarki ramowej wielopiłowej i pilarki
taśmowej wraz z udziałem kosztów narzędziowych podczas produkcji deszczułek
warstw licowych podłóg klejonych warstwowo (oznaczenia takie same jak w zależności (3))
Fig. 4. Spread of machine tool costs of a sash gang saw and a bandsawing machine with tool
costs indicated for the sawing process of the upper layers of glued flooring boards (symbols
the same as in equation (3))
Oprócz tego na rys. 5 zilustrowano strukturę całkowitych kosztów produkcji
KC warstw licowych (W = 180 mm, gE = 4 mm) z drewna dębowego na pilarce
ramowej wielopiłowej i na pilarce taśmowej tzw. cienko tnącej (hipotetyczna porównywana obrabiarka) z uwzględnieniem kosztów surowca KD.
W obydwu analizowanych technologiach przecinania struktury kosztów są
podobne, a największe udziały w nich mają koszty surowca >80%, które są wyższe o ponad 10% w porównaniu ze strukturą kosztów tartaku tradycyjnego [Sandvik 1999].
Prognozowane względne całkowite koszty roboczogodziny przy produkcji lameli dębowych na porównywanych pilarkach, wraz z uwzględnieniem dodatkowych
nakładów związanych z użytkowaniem szlifierki do egalizacji grubości deszczułki
licowej (usuwanie naddatku Ns) i teoretycznych strat materiałowych na rzazie oraz
123
na szlifowanie, pokazano na rys. 6. Jako wartość odniesienia wynoszącą P = 100%
w tej analizie przyjęto koszt roboczogodziny pilarki ramowej wielopiłowej.
Rys. 5. Struktura kosztów całkowitych KC podczas produkcji dębowych deszczułek
warstw licowych podłóg klejonych warstwowo na pilarce ramowej wielopiłowej
i pilarce taśmowej (KD – koszty surowca)
Fig. 5. Spread of total costs of using a sash gang saw and a bandsawing machine in the
process of sawing upper oak layers of glued flooring boards (KD – raw material expenses)
Rys. 6. Względny całkowity koszt maszynogodziny przy produkcji lameli dębowych
na pilarce ramowej PR i taśmowej PT, wraz z uwzględnieniem dodatkowych nakładów związanych z użytkowaniem szlifierki S (usuwanie naddatku Ns) i teoretycznych
strat materiałowych na rzazie oraz na szlifowanie Sm, gdzie: P jest względnym kosztem maszynogodziny
Fig. 6. Relative total machine tool costs P during oak lamellae production on a sash gang
saw PR and bandsawing machine PT, with additional expenditure on the use of a sanding
machine (stock removal Ns), with theoretical kerf losses and sanding losses Sm taken into
consideration, where: P is relative machine-hour cost
124
Wnioski
Na podstawie uzyskanych wyników z analizy możliwości technologicznych oraz
struktury kosztów ponoszonych przez zakład produkcyjny przy wytwarzaniu dębowych elementów licowych podłóg klejonych warstwowo za pomocą cienkich
pił na pilarce ramowej wielopiłowej i pilarce taśmowej, tzw. cienko tnącej, można
wysunąć następujące wnioski:
1. Przy przecinaniu deszczułek o grubości 4 mm o szerokości mniejszej od
@180 mm bardziej wydajna jest pilarka ramowa wielopiłowa, zaś w pozostałych przypadkach widać przewagę wydajności pilarki taśmowej.
2. Struktury kosztów maszynogodziny obydwu analizowanych pilarek są podobne, a największy udział mają w nich kolejno: koszty narzędziowe 36% (PR)
i 30% (PT), koszty utrzymania maszyny w ruchu 25% (PR) i 21% (PT), koszty personelu bezpośrednie 17% (PR) i 28% (PT). Pozostałe składowe kosztów
dla obydwu pilarek są porównywalne.
3. W obu analizowanych technologiach przecinania struktury kosztów całkowitych są podobne, a koszty surowca mają udziały największe, przekraczające
80%. Koszty narzędziowe wynoszą dla pilarki ramowej 6%, a dla pilarki taśmowej 5%.
4. Prognozowane względne całkowite koszty roboczogodziny, w których
uwzględniono dodatkowe nakłady związane z użytkowaniem szlifierki
do egalizacji grubości deszczułki licowej i teoretyczne straty materiałowe na rzazie oraz na szlifowaniu wykazały, że pilarka ramowa dla analizowanego przypadku produkcyjnego jest w nieznacznym stopniu bardziej
ekonomiczna.
Literatura
Bullinger H.J., Hichert R., Warnecke H.J., Voegele A. [1993]: Rachunek kosztów dla inżynierów. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, tłum. Tadeusz Olszowski. Warszawa
Crickmay and Associates [2007]: South African lumber index – March 2007. Monthly report.
Hilton: Crickmay and Associates
Gola A. [2010]: Metodyka doboru podsystemu obrabiarek w elastycznym systemie produkcyjnym części klasy korpus. Politechnika Lubelska, Lublin, s. 214 (http://bc.pollub.pl/dlibra/
doccontent?id=661&from=FBC, dostęp: lipiec 2012)
Honczarenko J. [2008]: Obrabiarki sterowane numerycznie. WNT, Warszawa
Honczarenko J., Słaby I. [2009]: Metodyka doboru obrabiarek skrawających. Mechanik [3]:
166–173
Kolman R. [1991]: Inżynieria jakości. PWE, Warszawa, s. 292
Neva – Ogden [2008a]: RE-MAX 500 CNC. Horizontal CNC re-saw. 2 p. (www.neva.cz
dostęp: lipiec 2012)
Neva [2008b]: Orbit. A new generation in thin-cutting frame saws. Pdf catalogue. 2 p.
(www.neva.cz, dostęp: lipiec 2012)
125
Orłowski K. [2004]: Some approaches to the determination of saw blade stiffness. Drvna
Industrija 54 [4]: 207–215
Orłowski K., Wasielewski R. [2008]: Estimating of the rough green target size in lumber
manufacturing on the twin shaft multi-rip saws. Annals of Warsaw Agricultural University
[64], s. 146–150
Prokofiev G.F. [1990]: Intensifikacija pilenija drevesiny ramnymi i lentočnymi pilami.
Lesnaja Promyslennost’, Moskva, s. 240
Sandvik [1999]: Production, use and maintenance of wood bandsaw blades. A manual from
Sandvik Steel. AB Sandvik Steel, Sandviken, Sweden, May, p. 336–ENG
Steiner U. [2003]: Metodyka doboru wtryskarek (na bazie artykułu: Johannaber F., Lohmar).
Tworzywa sztuczne i chemia [3]
Steele P.H., Wade M.W., Bullard S.H., Araman P. A. [1992]: Relative kerf and sawing variation values for some hardwood sawing machines. Forest Prod. J. 42 [2]: 33–39
Vuorilehto J. [2001]: Size Control of Sawn Timber by Optical Means in Breakdown Saw
Machines. Helsinki University of Technology, Department of Forest Products Technology,
Laboratory of Wood Technology, Report 88. Picaset Oy, Helsinki
Walichnowski A. [2012]: Analiza sposobów przecinania elementów składowych podłóg klejonych warstwowo. Politechnika Gdańska, Gdańsk, s. 69 (maszynopis)
Wessels C.B. [2009]: A model to determine the theoretical maximum feed speed of a frame
saw. Southern Forests 71 [1]: 31–36
Wintersteiger [2011a]: Cienko tnące piły taśmowe, s. 28 (Katalog pdf www.wintersteiger.
com, dostęp: lipiec 2012)
Wintersteiger [2011b]: Traki do cięcia cienkich płyt i desek, s. 36 (Katalog pdf www.wintersteiger.com, dostęp: lipiec 2012)
Wrotny L. [1986]: Projektowanie obrabiarek. Zagadnienia ogólne i przykłady obliczeń. WNT,
Warszawa
List of standards
VDI 2225 [1998]: Sheet 3. Design Engineering Methodics, Engineering Design and Optimum
Cost, Valuation of Costs. Berlin, Beuth, 1998
ECONOMIC ANALYSIS OF UPPER LAYER PRODUCTION
OF ENGINEERED FLOORINGS
Summary
In this paper the results are described of the analyses of the linear efficiency and overall
cost structure of the cutting processes on a sash gang saw and a bandsawing machine
with narrow-kerf saw blades, while sawing the upper oak layers of engineered flooring.
It is stated that while lamellae of 4 mm in thickness and narrower than @180 mm are
sawn, the sash gang saw is a much more efficient machine tool. Nevertheless, in other
cases, the bandsawing machine is more productive. Moreover, in both cutting technolo-
126
gies, the overall cost structures are similar, and the share of raw material in a structure
exceeding 80% is one of the largest and differ from the structure of the standard European
sawmill.
Keywords: engineered flooring, upper layer, narrow kerf saw blades, sash gang saw, bandsawing
machine, overall cost structure
DOI: 10.12841/wood.1644-3985.030.09
DONIESIENIA NAUKOWE – RESEARCH REPORTS
Jasna Hrovatin, Silvana Prekrat, Jordan Berginc, Milan Šernek,
Anton Zupančič, Leon Oblak, Sergej Medved1
STRENGTH COMPARISON OF JOINTS AT WINDOW
FRAMES
The strength of joints with a wooden ring, which are protected by international
patent was compared with the strength of tenon and dowel joints, and consequently
the applicability and suitability for producing such window frames was established.
The strength of different implementations of angular joints of window profiles was
tested on a tensile-testing machine. It was established that the average ultimate
strength of joints with a wooden ring was higher than the ultimate strength of tenon
joints, which was chosen as an upper reference limit.
Keywords: wood, window, joint, strenght, mechanical properties
Introduction
Mortise and tenon joints are a typical example of the implementation of angular
joists in window frames (fig. 1). It is known that the surface of gluing dictates
joint strength. Many scientists [Vince 1975; Wang, Yuang 1994; Prekrat et al.
Jasna Hrovatin, Academy of Design, Ljubljana, Slovenia
Silvana Prekrat, University of Zagreb, Zagreb, Croatia
Jordan Berginc, Hifab International, Stockholm, Sweden
Milan Šernek, University of Ljubljana, Ljubljana, Slovenia
Leon Oblak, University of Ljubljana, Ljubljana, Slovenia
Sergej Medved, University of Ljubljana, Ljubljana, Slovenia
128
J. Hrovatin, S. Prekrat, J. Berginc, M. Šernek, A. Zupančič, L. Oblak, S. Medved
2004] have researched the influence of the construction of different corner joints, and it has been determined that the area of glued surface is one of the most
significant factors in terms of construction, and that the strength of adhesion and
the area of glued surface are significantly interdependent. Dziegelewskia and
Zenkteler [1975] confirmed the aforementioned assertion comparing the strength
of a tested single- and twin-dado and rabbet joint with a round head tenon, whereat the joint with the twin-dado and rabbet tenon demonstrated the maximum
strength, and in addition having the largest surface of gluing. Numerous authors
have analysed the strength of angular junctures on the basis of different aspects.
Hill and Eckelman [1973] delineated the impact of tenon dimension on the stiffness of joints. Tankut and Tankut [2005] determined the impact of tenon and
mortise geometry on joint strength. Irrespective of the fact that the joints boasted
the same surface of gluing, the round head tenons and dados provided 15% less
strength that those with even tenons. The strength of joints with square tenons in
a rounded groove was reduced by 30%. Wilczynski and Warmbier [2003] proved
that the stiffness and strength of joints increases with an increase in joint dimension; however, the impact of tenon thickness on the coefficient of joint stiffness
is linear. In their paper, Prekrat et al. [2004] proved that the same or even better
results might be achieved with an innovative composition of amended geometry
and a smaller surface of gluing. Dowel joints, joints with lenticular wooden rabbets and wedge-shaped finger joints are less frequently used (fig. 1). The dimension and distance between the dowels have the most significant impact on the
strength of dowel joints. The impact of wood species and the adhesive used for
corner joints with mortise and tenon was investigated by Altnok et al. [2010].
For their experiment they used Scotch pine (Pinus Sylvestris L.) and Uludag
fir (Abies bornmulleriana). As adhesive they used two types of PVAc adhesives. They determined that the highest performance was determined at double
mortise and tenon joint when Scotch pine was used. Eckelman [1970] carried
out a test of the bending of T-joints with dowels and established an increase in
bending strength with an increase in the width of the window frame. Moreover,
Eckelman [1971] established that the bending strength may increase by increasing the distance between the dowels by 40%. Hoffmann’s joint may be regarded as an alternative implementation, where the cross-section of joining element
is in the form of a double dovetail [Hoffmann-Schwalbe 2008]. In our research
focused on mechanical properties of a newly developed angular juncture with
a wooden ring (fig. 1). The invention was patented with WIPO (World Intellectual
Property Organization) [Govže 2005].
Strength comparison of joints at window frames
129
Fig. 1. Type and dimension of angular joints in groups A, B and C
Rys. 1. Rodzaj i wymiary połączeń kątowych w grupach A, B i C
The quest for energy efficient windows with regard to air- and watertightness
is also related to the quality and strength of the joint as determined by Skogsrad
and Uvsløkk [2010].
The joint with a wooden ring is an indirect angular juncture with a wooden
joining element in the form of a ring, which is glued into a ring-shaped groove and
fixed with a screw. The screw undertakes the role of a clamp in the gluing phase.
When the glue hardens, the main load is borne by the glued joint and the screw
may be removed.
It was envisaged that the values of the ultimate strength of joints with a wooden
ring would be somewhat lower than those recorded with the classical tenon joint
and higher than those recorded for a dowel joint. Similar, it was expected that
the suitability of using such a joint in the production of window frames would be
confirmed experimentally.
Global trends in the production of window frames dictate the installation
of energy-efficient window frame. Frequently, the frame is no longer composed
of wood but encompasses a number of layers of different insulating materials.
So far it is conceivable that the curently predominantly used tenon and dowel
joints may no longer be used in particular cases due to the composite structure
of window frame.
The objective of our research was to establish firstly whether the strength
of an angular joist with a wooden ring is comparable in strength with the classical
tenon and dowel joint. Secondly, whether such a joist would at the same time be
strong enough to be used in the production of window jambs and frames.
130
We are interested in the comparison of the strength properties of three different
wooden joints, i.e. a tenon, dowel and ring joint (fig. 2 and 3). The samples with
tenon and dowel joints were made of industrially-produced window frames manufactured by two different producers. The same profile cross-sections and the
same glue, as used in the tenon and dowel joints, were used in the samples with
a wooden ring joint. The experiment involved 6 samples from each group (table 1).
The samples with tenon joints composed groups A and D, differing in the glue used
and the form of the profiles. Group B encompassed the samples with dowel joints,
while the groups C and E were composed of samples with a wooden ring joint.
Fig. 2. Type and dimension of angular joints in groups D and E
Rys. 2. Rodzaj i wymiary połączeń kątowych w grupach D i E
Fig. 3. Drawing with sample dimensions (a – implementation of juncture with tenon
and dowel joint, b – implementation of juncture with the joint with a ring)
Rys. 3. Rysunek obrazujący wymiary próbek (a – zastosowanie złącza z połączeniem na czop
i kołek, b – zastosowanie złącza z połączeniem z pierścieniem)
131
Table 1. Characteristics of PVAc glues used
Tabela 1. Charakterystyka użytych klejów PVAc
Density
Gęstość
pH value (ISO 976)
Wartość pH (ISO 976)
Viscosity (ISO 2555)
Lepkość (ISO 2555)
Chalk point
Punkt kredowania
PVAc 1
PVAc 2
Mekol 1141
Duplit AL-NEU
≈1.1 g/cm3
≈1.1 g/cm3
≈5.5
≈6.0
12000…15000 mPa.s
≈12000 mPa.s
≈4°C
≈7°C
All the samples were made of pinewood. Two commercial polyvinyl acetate
(PVAc) glues (PVA glue 1 and PVA glue 2) with an additional firming agent,
were used (table 2). The PVAc preparations were a polymeric dispersion in water.
The viscosity was between 12000 and 15000 mPa.s. (these glues applied in our
research are the ones currently used in mass production of window frames). The
samples were conditioned in a laboratory and tested 7 days after gluing.
Table 2. Properties of samples from different groups
Tabele 2. Właściwości próbek z różnych grup
Group
Grupa
A
B
C
D
E
Drewno
Wood
Połączenie
Joint
Glue
pinewood
tenon
PVA glue 1
pinewood
dowel
PVA glue 1
pinewood
sosna
with a ring
z pierścieniem
PVA glue 1
pinewood
tenon
PVA glue 2
pinewood
with a ring
PVA glue 2
Klej PVA 2
sosna
sosna
sosna
sosna
czop
kołek
czop
z pierścieniem
Klej
Klej PVA 1
Klej PVA 1
Klej PVA 1
Klej PVA 2
The ultimate strength of the differently implemented angular joints of the
window profiles was tested on the tensile-testing machine in the laboratory of the company Jelovica d.d. in Slovenia. The research methodology adopted was in accordance with other published work [Korzeniowski 1982;
Warmbier, Wilczynski 2000]. The samples were prepared as demonstrated
in fig. 1. The wings of the samples were 450 mm long and glued together at
a right-angle. At the end of wings the bores of 8.5 mm in diameter were drilled
for the grips of tensile-testing machine. The equilibrium moisture content of the
132
samples was 12%. The samples were then gripped into the tensile-testing machine and tested in the tensile direction until failure of joint. The value of the
ultimate tensile strength was measured in Newtons (N) and concurrently recorded. Upon the destruction of a joint, the test was stopped. The strength recorded at the destruction of the joint was taken for evaluating the ultimate strength
of the tested joint.
Ultimate strength recorded on the tensile-testing machine while testing six samples from each group are demonstrated in table 2.
Table 3. Ultimate strength of samples in Newton (N)
Tabela 3. Wytrzymałość graniczna próbek w Newtonach (N)
Individual strength value
Group
(N)
Grupa
A
Average strength
value
Poszczególne wartości wytrzymałości
1
2
3
4
5
6
835
920
820
840
830
750
Średnia wartość
wytrzymałości
(N)
Standard
deviation
Odchylenie
standardowe
832.5
54.199
B
480
540
600
500
510
550
530
42.895
C
1020
1160
1250
1250
1090
1250
1170
98.184
D
880
980
1100
1160
990
1070
1030
100.000
E
1260
1080
1000
1120
1070
1160
1115
88.938
If comparing the average values of measured strength at which the destruction
occurred, it may be established that the strength of the samples in group A (tenon
joint) proves to be 36% higher than the strength of the samples in group B (dowel joint). The average values of ultimate forces with samples in group C (joint
with a wooden ring) proves to be 29% higher than the samples in group A and
55% higher than in the samples in group B. Given the fact that the same glue and
profiles were used in all three groups, it may be concluded that the tenon joints
were substantially stronger than the dowel ones, which was expected. The results
showed that the joints with a wooden ring were stronger than the tenon ones; this
was somewhat surprising.
Similar results to those recorded in the samples in groups A and C were obtained also when comparing average ultimate forces in groups D (tenon joint)
and E (joint with a wooden ring), where different glue and window frame were
used. The average value of ultimate strength in the samples in group E (joint with
a wooden ring) is 8% higher than in the case of the samples in group D. The ultimate strength in the samples in groups D and E are slightly greater than with the
133
samples in groups A and C, which is probably the consequence of the application
of glue and not the type of window profile.
The comparison of average values of ultimate forces with the test items from
all five groups reveals that the greatest strength was achieved with the test items
with a wooden ring; however, the values recorded in Groups C and E slightly differ, since different glues and window profiles were used. Consequently, the impact
of different glues on the strength of joints with a wooden ring shall be researched
in one of our subsequent researches.
Conclusions
Test results reveal that the average ultimate strength of a joint with a wooden ring
is greater than the ultimate strength of tenon joint with the same profile cross-section and with the application of the same glue. Furthermore, as was to be expected, the results clearly indicat that the dowel joints are the weakest in strength.
The work established that the joint with a wooden ring is suitable for the
production of window frames, because it is superior in its strength relative to the
dowel and tenon joints, both of which are currently predominantly applied in window frame mass production.
The advantage of joints with a wooden ring is in its universality, i.e. its
independence of dimensions, profile cross-section, its composition and the simple
technology, which offers the possibility of changing the cross-sectional profile
or its composition, whilst maintaining the angular joist intact. The work has particular implementation for window frame producers, seeking to use multilayer
construction and composite elements in the production of window frames and
jambs to reduce heat loss at windows.
References
Altnok M., Dongel N., Sogutlu C., Doruk S. [2010]: Determination of diagonal compression
performance of wooden joinery corner joints with mortise and tenon. Kastamonu Universitesi Orman Fakultesi Dergisi 10: 96–101
Eckelman C.A. [1970]: The fatigue strength of two-pin moment – resisting dowel joints. Forest Product Journal 20: 42–45
Eckelman C.A. [1971]: Bending strength and moment-rotation characteristics of two-pin moment resisting dowel joints, Forest Products Journal 21: 35–39
Hill M.D., Eckelman C.A. [1973]: Flexibility and bending strength of mortise and tenon joints, Furniture Design and Manufacturing 45: 54–61
Dziegelewski S., Zenkteler M. [1975]: Badania nad polaczeniami szkieletowych konstrukciji
mebla z drewna. Folia Forestalia Polonica, seria B 12: 133–156
Govže A. [2005]: Angular juncture for wooden frame constructions. International Patent No.:
PCT/SI2005/000030.
134
Korzeniowski A. [1982]: Fit improves properties of joints. Furniture manufacturer 47: 45–46
Prekrat S., Jazbec A., Pervan S. [2004]: Analysis of the bending moment of innovative corner joints during static testing. Wood research 49: 32–32
Skogstad H.B., Uvsløkk S. [2010]: Sealing of Window and Door Joints in Timber Frame
Buildings and Watertightness. Buildings XI Conference Dec 5th–9th, 2010 Clearwater
Beach, Florida. Florida USA: C ASHRAE. (http://www.ornl.gov/sci/buildings/2010/
B11%20papers/92_Skogstad.pdf), 7 p.
Tankut A.N., Tankut N. [2005]: The Effects of Joint Forms (Shape) and Dimensions on
the Strengths of Mortise and Tenon Joints. Turkish Journal of Agriculture and Forestry
29: 493–498
Vince H. [1975]: Zhodnotenie lepenych nabytkovych spojov z hladiska ich pevnosti a tuhosti.
Drevo roč. (1975)30, 8–14
Warmbier K., Wilczynski A. [2000]: Strength and stiffness of dowel corner joints – effect
of joint dimensions. Folia Forestalia Polonica, seria B, 31: 29–41
Wang S.Y., Yuang H.B. [1994]: Structural Behavior of Various Joints in Furniture Components Made of Softwood Laminated Veneer Lumber. Mokuzai Gakkaishi 40: 911–921
Wilczynski A., Warmbier K. [2003]: Effect of joint dimensions on strength of stiffness
of tenon joints. Folia Forestalia Polonica, seria B, 34: 53–66
Hoffmann-Schwalbe
http://www.hoffmann-schwalbe.de/Frames.php?lang=en (15. jul. 2008)
PORÓWNANIE WYTRZYMAŁOŚCI POŁĄCZEŃ
W OŚCIEŻNICACH OKIENNYCH
Streszczenie
Połączenia na czop są typowym przykładem zastosowania belek kątowych w ościeżnicach
okiennych. Wytrzymałość ościeżnicy okiennej zależy także od lepiszcza i powierzchni,
na którą je naniesiono. W niniejszym referacie przedstawiono wyniki badań równych połączeń drewnianych, tj. na czop, kołek i pierścień oraz dwóch komercyjnych klejów na
bazie dyspersji polioctanowinylowej (PVAc). Drewniane ościeżnice zostały wykonane
z drewna sosnowego w lokalnych zakładach. Ramiona próbek miały 450 mm długości
i zostały sklejone razem pod kątem prostym. Wilgotność równowagowa próbek wynosiła 12%. Wytrzymałość graniczna belek kątowych różnie zastosowanych w profilach
okiennych została przebadana na maszynie do testowania wytrzymałości na rozciąganie.
Na końcach ramion próbek wywiercono otwory o średnicy 8.5 mm do zamocowania
uchwytów maszyny do testowania wytrzymałości na rozciąganie. Następnie próbki zainstalowano w maszynie i poddano badaniu, zwiększając stopniowo siłę rozciągającą,
aż do zniszczenia połączenia. Wartości wytrzymałości granicznej na rozciąganie zostały
zmierzone w Newtonach (N) i jednocześnie zapisane. Wyniki badań pokazują, że średnia wytrzymałość graniczna połączenia z drewnianym pierścieniem jest większa niż
wytrzymałość graniczna połączenia na czop, przy tym samym przekroju poprzecznym
135
profilu i zastosowaniu tego samego kleju. Co więcej, zgodnie z oczekiwaniami wyniki
jasno wskazują, że wytrzymałość połączeń na kołek była najmniejsza z trzech przebadanych profili okiennych. Ustalono, że połączenie z drewnianym pierścieniem jest odpowiednie do zastosowania w produkcji ościeżnic okiennych, ponieważ wytrzymałość
tego połączenia okazała się większa niż wytrzymałość połączenia na czop, które jest
obecnie przeważnie stosowane w produkcji okien, oraz znacznie większa niż wytrzymałość połączenia na kołek, które również jest stosowane w produkcji masowej. Przewagą
połączenia z zastosowaniem drewnianego pierścienia jest jego uniwersalność, tj. niezależność od wymiarów czy przekroju poprzecznego profilu i jego struktury, co oznacza
uproszczenie technologii, gdyż przekrój poprzeczny profilu lub jego strukturę można
zmienić w każdym momencie, natomiast produkcja złącza kątowego powinna pozostać
bez zmian. Okazuje się to szczególnie istotne wtedy, gdy producenci poszukują rozwiązań
pozwalających zredukować ulatnianie się gazów cieplarnianych przez okna i w rezultacie
stosują wielowarstwową konstrukcję ościeżnic okiennych lub elementy kompozytowe
w produkcji ościeżnic okiennych i stojaków ościeżnicy.
Słowa kluczowe: drewno, okno, łącznik, wytrzymałość, właściwości mechaniczne

pobierz - Drewno

Transcription

Similar documents

Polska

Pobierz darmowy fragment

pobierz - Drewno

turkana - Kombonianie

Renowacja obiektów dziedzictwa kulturowego na terenie Wyspy

EasyChange - iDecking Revolution

pobierz - Drewno

Pełna wersja - Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej

pobierz - Nowy Czas

badania i konserwacja w XXI wieku The Heritage Wood: Research

Intercathedra 24 2008 - Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

Katalog kolekcji