Drvo (materijal)

Pojam drvo, u svakodnevnom govoru, označava tvrdo tkivo nadzemne stabljike (stablo, grane i grančice) drveća i grmova. U botaničkom smislu, drvo se definira kao sekundarni ksilem nastao od kambija kod biljaka sjemenica. Po toj definiciji, odrvenjelo tkivo palmi i drugih viših biljaka nije drvo u užem smislu riječi. Kao jedan od pokazatelja, i ovdje je skladištenje lignina u ćelijskim zidovima. Stoga je također moguća i jedna šira definicija drveta kao lignificiranog (odrvenjelog) biljnog tkiva.

Drvo

U kulturno-historijskom aspektu, drveće se ubraja među najstarije korištene biljke. Drvo se može upotrijebiti na veoma mnogo načina, a osim toga ono je i obnovljiva sirovina, tako da se ubraja među najvažnije biljne proizvode, kao sirovina za daljnju preradu i kao obnovljivi izvor energije. Predmeti i građevine od drveta (poput štitova, lukova, drvenog uglja, pragova za željezničke pruge, drvenih brodova, potpornih stubova, tvrđava) kao i općenito industrija drveta, bili su i još uvijek jesu dio ljudske civilizacije i historije kulture.

Krčenje šuma (deforestacija) u obalnim područjima Sredozemnog mora bila je jedan od najvećih zahvata za čovjeka u nekom ekosistemu. To krčenje šuma bilo je prvi korak ka urbanom naseljavanju, do tada, gusto pošumljene Evrope. Prema procjenama na Zemlji raste oko 434 milijarde kubnih metara drveta, od čega je oko 47% komercijalno iskoristivo. Kao veoma rasprostranjeni, ugljično-neutralni obnovljivi izvor, drveni materijali su od ogromnog interesa kao izvor obnovljive energije. Procjenjuje se da je 1991. posječeno oko 3,5 kubnih kilometara drveta.

Nastanak

Poprečni presjek jednog stabla

Drvo nastaje od kambija, tkiva koje se razvija između srži i kore (putem sekundarnog zadebljanja).

Pri diobi ćelija kambija nastaju dvije, od kojih jedna zadržava sposobnost daljnjeg dijeljenja odnosno do nove inicijalne ćelije. Druga ćelija postaje stalna (trajna) ćelija koja se može još jednom ili nekoliko puta dijeliti. Od ćelija koje se kasnije izdiferenciraju u provodno, skladišno i potporno tkivo prema unutrašnjosti nastaje drvo (sekundarni ksilem). Prema vani nastaje floem, iz kojeg se sastoji unutrašnja kora te kasnije iz njega nastaje felogen tj. kora. Proizvodnja ksilemskih ćelija prestiže proizvodnju floemskih ćelija za nekoliko puta, tako da se udio kore u drvetu kreće od oko 5 do 15 postotaka.

U umjerenim geografskim širinama, pod klimatskim utjecajem mogu se posmatrati četiri faze rasta:

• faza mirovanja (od novembra do februara na sjevernoj hemisferi);
• faza "mobiliziranja" (mart, april)
• faza rasta (od maja do jula): ćelije drveta koje nastaju u ovo godišnje doba su prilično luminozne, tankih zidova i svjetlijih nijansi te sačinjavaju takozvano "rano drvo";
• faza skladištenja (od augusta do novembra): ćelije drveta koje nastaju u ovo doba godine su manje, debljih zidova i tamnijih nijansi te sačinjavaju "jesenje drvo" ("kasno drvo").

Ovim cikličkim ponašanjem rasta nastaju poznati godovi ili "godišnji prstenovi", koji su lahko uočljivi u poprečnom presjeku stabla.

Hemijski sastav

Hemijski sastav drveta varira od vrste do vrste, ali se prosječno može uzeti da ima oko 50% ugljika, 42% kisika, 6% vodika, 1% dušika i 1% drugih elemenata (uglavnom kalcij, kalij, natrij, magnezij, željezo i mangan), računajući po masenom odnosu. U manjim količinama u drvetu ima i sumpora, hlora, silicija i fosfora, kao i mnogih drugih elemenata u tragovima.

Osim vode, drvo sadrži tri osnovne komponente. Celuloza, kristalni polimer izveden iz glukoze čini od 41 do 43% mase drveta. Sljedeća po udjelu je hemiceluloza, koja čini 20% sastava listopadnih ali i gotovo 30% četinarskih stabala. To su uglavnom petokarbonski šećeri koji su spojeni na nepravilan način, za razliku od celuloze. Lignin je treća komponenta drveta kojeg ima oko 27% u zimzelenom i 23% u listopadnom drveću. Lignin daje hidrofobne osobine drvetu reflektirajući činjenicu da je zasnovan na aromatskim ugljikovim prstenovima. Sve tri komponente drveta se međusobno isprepliću, a direktna kovalentna veza postoji između lignina i hemiceluloze. Osnovni fokus industrije papira je odvajanje lignina od celuloze, od koje se dalje proizvodi papir.

U hemijskom aspektu, razlika između mehkog i tvrdog drveta ogleda se u sastavu njegovog sastojka lignina. Lignin u tvrdom drvetu uglavnom je izveden iz sinapil- i koniferil-alkohola. Lignin u mehkom drvetu je pretežno izveden iz koniferil-alkohola.

Ekstrakti

Pored lignoceluloze, drvo se sastoji iz raznih organskih spojeva malehne molekularne težine zvanih ekstrakti. Ekstrakti drveta su masne kiseline, smolne kiseline, voskovi i terpeni. Naprimjer, kolofonij se izdvaja iz zimzelenog drveta kao zaštita od insekata. Izdvajanjem ovih organskih materijala iz drveta dobijaju se terpentini, borova ulja i smole.

Zimzeleno drvo

Prema vremenu razvitka tokom procesa evolucije, zimzelena drveća su starija od listopadnih, ali imaju znatno jednostavniju anatomsku izgradnju ćelije od njih i posjeduju samo dvije vrste ćelija.

• traheide: izdužene cjevaste ćelije, koje se na krajevima završavaju špicasto, ispunjene su samo zrakom ili vodom. One objedinjavaju funkcije potpore i provođenja te u drvetu učestvuju sa udjelom od 90% do 100%. Preko tzv. jama odvija se izmjena tečnosti između ćelija. U drvenastim zrakama takozvane poprečne traheide omogućavaju transport vode i hranjivih materija u radijalnim pravcima. One imaju udio od 4% do 12% u ukupnoj supstanci drveta.
• ćelije parenhima: u uzdužnom presjeku većinom su trapezaste ćelije, koje preuzimaju provođenje hranjivih supstanci kao i skladištenje škroba i masti. U radijalnim pravcima one grade parenhim drvestastih "zraka" i većinu njenih tkiva. Parenhimske ćelije koje okružuju smolne kanale fungiraju kao ćelije epitela i proizvode smolu, koja se izlijeva u smolne kanale.

• Zimzeleno i listopadno drvo
• 
  Drvo smrče
• 
  Borovina
• 
  Furnir od drveta trešnje
• 
  Palisandrovina

Listopadno drvo

Prema vremenu razvitka, mlađe tkivo listopadnog drveća je znatno više diferenciranije od zimzelenog drveća. Ono se može podijeliti na tri funkcionalne grupe.

• provodno tkivo: provodni sudovi, vazicentrične traheide i druge.
• potporno tkivo: vlaknaste traheide i drvenasta (libriformna) vlakna
• skladišno tkivo: ćelije parnehima u drvenastim zrakama, dugačke parenhimske ćelije, ćelije epitela.

Karakteristično za listopadno drvo su navedena provodni sudovi kojih nema kod listopadnog drveća. One se mogu često vidjeti i golim okom u vidu malehnih pora u poprečnom presjeku drveta ili udubljenja u tangencijalnom presjeku.

Osobine

Higroskopske

Upotreba drveta u građevinarstvu

Higroskopske osobine drveta, tj. njegova tendencija da u sebe upije vlagu iz okoline, također djeluje i na njegovu slabu stabilnost u pogledu dimenzija pri uslovima u koja se mijenja vlažnost okoline. Vlaga u drvetu izjednačava se postepeno sa klimom okoline. Promjene u vlažnosti okoline ispod raspona zasićenja vlakana (u zavisnosti od vrste drveta od 25% do 35% vlage u drvetu) odražavaju se na promjene oblika drveta (bubrenje, iskrivljavanje, skupljanje). Neke vrste drveta kao naprimjer tikovo drvo zbog skladištenja hidrofobnih supstanci u sebi ima vrlo nisku razliku u promjeni mase pri promjeni vlažnosti okoline. Postoje određene tehničke metode za smanjenje higroskopnosti drveta, poput modifikacije.

Toplotne

Zbog svoje poroznosti, drvo je veoma loš provodnik toplote pa je zato pogodan kao toplotna zaštita. Drvo smrče ima specifičnu toplotnu provodljivost od oko 0,13 W/(m·K), dok naprimjer beton ima prosječno od 1,28 do 1,7 W/(m·K). Ona kod iverice je još manja i iznosi 0,10 W/(m·K). Izolacijske ploče napravljene od mehkih drvenih vlakana mogu dostići i nižu provodljivost toplote do 0,04 W/(m·K). Provodljivost toplote raste povećanjem vlažnosti drveta i sirovom gustoćom materijala. Specifični toplotni kapacitet tj. količina toplote neophodne da se jedan kg materijala zagrije za jedan stepen K, za drvo iznosi 0,472 Wh/(kg·K) što je gotovo dvostruko više od betona (0,244 Wh/(kg·K). Širenje pri zagrijavanju kod drveta može biti loša osobina u praksi, jer se previše kompenzira skupljanjem pri sušenju.

Toplotno raspadanje drveta dešava se na temperaturama iznad 105 °C, a od 200 °C ono se veoma ubrzava i vrhunac dostiže pri 275 °C. Termičko raspadanje drveta može se odvijati i na nižim temperaturama ispod 100 °C tokom dužeg izlaganja. Tačka paljenja drveta iznosi između 200 i 275 °C. Međutim, u odsustvu zraka dolazi do pirolize drveta. Srednjoevropske vrste komercijalnog drveta imaju obično sadržaj vlage od oko 20%, a toplotnu vrijednost pri sagorijevanju između 3,9 i 4,0 kWh/kg.

Elastomehaničke

Drvo u obliku trupaca, spremnih za daljnju obradu

Takozvana gustoća drvene sirovine varira u zavisnosti od vlage u drvetu. Pri udjelu vlage u drvetu od 12% (normalna vlažnost u zagrijanim prostorijama) gustoća sirovine u zavisnosti od vrste drveta kreće se od 200 kg/m³ do 1200 kg/m³. Svježe oboreno drvo pokazuje još više vrijednosti. Tako naprimjer gustoća svježe oborenog drveta hrasta iznosi oko 1000 kg/m³, dok u osušenom stanju (pri vlažnosti od 12%) iznosi 670 kg/m³. Gustoća drvene sirovine vrijedi za ključni pokazatelj za većinu tehničkih osobina drveta, sa kojima je u korelaciji. Mjerenje gustoće se često koristi za provjeru kvaliteta drveta (naprimjer rezistograf). Za razliku od gustoće sirovine takozvana čista gustoća osušenog, odrvenjelog ćelijskog zida ne zavisi od vrste drveta a iznosi 1,5 g/cm³.

Drvo je viskozno-elastična sirovina, pa se njegove elastomehaničke osobine mijenjaju tokom vremena. Stoga trajanje opterećenja na njega mora uzeti u proračun kao jedna vrsta utjecaja vanjskih sila, kako statičkih tako i dinamičkih. Pored gustoće i smijera opterećenja na elastomehaničke osobine drveta utječe i njegova strutkura, historija rasta i vlažnost. Pri proračunima je važno znati da se gustoća i elastomehaničke osobine pojedinih vrsta drveta mogu znatno razlikovati sa prirodnom varijancom od 10 do 22%. Među svim koeficijentima čvrstoće, najveća vrijednost je kod otpornosti na izvlačenje drveta, dok je njegova čvrstoća pod pritiskom oko 50% od vrijednosti otpornosti na izvlačenje, a otpornost na zakretanje oko 10% od te vrijednosti. Naprimjer otpornost na izvlačenje kod običnog čelika (370 N/mm²; 7800 kg/m³) je oko pet do šest puta veća od drveta (~80 N/mm²; 450 kg/m³), ali je drvo oko 16 puta lakše od čelika. (Ovdje navedene vrijednosti koeficijenata čvrstoće odnose se na opterećenja uzduž vlakana). Iz svega navedenog, proizilazi da drvo ima vrlo pogodan odnos između čvrstoće i težine.

Optičke

Boja i struktura drveta u mnogim vidovima upotrebe je od estetskog značaja. Prevelika razgranatost i nepravilan raspored boja smatraju se greškama u drvetu. Osim toga, djelovanjem ultraljubičastog svjetla drvo polahko tamni. Tokom dužeg perioda izlaganja UV zracima, na drvetu se mogu primijetiti oštećenja na površini. Pri tome najčešće denaturira lignin i raspada se a u slučaju direktnog djelovanja atmosferskih prilika (padavina, kiše, snijega) on se ispira iz drveta. Nakon toga, površina drveta postaje prljavo-siva. Ukoliko je drvo zaštićeno od padavina, UV zraci postepeno daju drvetu blijedu srebreno-bijelu boju. Djelovanje sunčevog svjetla ograničeno je na površinu drveta. Ono se može ublažiti bojenjem drvene površine lakovima i bojama koje sadrže određene pigmente.

Zvučne

Brzina zvuka u drvetu, mjereno paralelno drvenim vlaknima, dostiže vrijednosti od 4000 do 6000 m/s, dok mjereno poprečno smijeru pružanja vlakana od 400 do 2000 m/s. Na brzinu zvuka u drvetu utječu njegova gustoća, elastičnost, dužina vlakana, ugao između vlakana, vlaga, kvrge i šupljine i slično. Zbog dobrih zvučnih osobina, drvo se često koristi za izradu raznih muzičkih instrumenata. Osim toga, kao materijal ono je pogodno i za zvučne izolacije. Iverica sa gustoćom od 15 do 20 kg/m² dostiže zvučnu izolaciju od 24 do 26 dB.

Biološke

Drvo za ogrijev

Drvo je biološki materijal te je biorazgradivo. Međutim, također je osjetljivo na napade biotičkih štetočina. Njega često napadaju razne vrste insekata, bakterija i gljivica, koje polahko uništavaju njegovu supstancu. Gljivice napadaju drvo kada je njegova vlažnost oko 20%. Neke gljive poput askomiceta (gljiva mješinarki) i nepravih gljiva (Deuteromycetes) djeluju samo na površinsku promjenu boje na drvetu, dok gljive stapčarke (Basidiomycota) razgrađuju supstancu drveta i uzrokuju njegovo truhljenje. Bakterije koje izazivaju truhljenje drveta djeluju samo pri uslovima visoke vlažnosti, a naročito na mjestima gdje je drvo u kontaktu sa zemljištem. Larve insekata koje uništavaju drvo mogu ga napadati i pri malehnom udjelu vlage. Otpornija srž drveta mnogo sporije se biotički razgrađuje. Njegova otpornost se dijeli na klase otpornosti od 1 do 5 prema odgovarajućim normama i standardima (npr. DIN EN 350-2). Biotičko raspadanje drveta može se smanjiti ili spriječiti odgovarajućom zaštitom.

Vrlo malo je poznato o bakterijama koje degradiraju celulozu. Simbiotska bakterija u ksilofagima može igrati određenu ulogu u degradaciju drveta pod vodom, dok su bakterije poput Alphaproteobacteria, Flavobacteria, Actinobacteria, Clostridia i Bacteroidetes otkrivene u drvetu koje je godinama bilo potopljeno u vodi.

Upotreba

Historijska

Drvo se upotrebljava najmanje od starijeg kamenog doba za dobijanje energije (vatre), kao materijal za izradu oruđa i kao građevinski materijal. Postoje indicije da se ono koristilo i prije tog doba, kada su drugi primati koristili drvo za pravljenje gnijezda, za bacanje (odbranu) ili guranje.

Drvo se ubraja u održive sirovine odnosno izvore energije u tolikoj mjeri da potrošena količina ne prelazi količinu koja može narasti u isto vrijeme. Lahkoća obrade i s tim povezana niska potreba za energijom pri njegovoj proizvodnji i obradi, igraju vrlo važnu ulogu kod ekološke ocjene. U ekobilansima proizvodi od drveta zauzimaju važno mjesto.

Drvo se prerađuje u razne proizvode, naprimjer kao furnir, iverica, daske, stubove i druge drvene prerađevine. Daske i furnir se suše i kasnije kondicioniraju na određenu količinu vlage u različite svrhe. Danas se taj proces vrši gotovo u potpunosti u industrijskim procesima sušenja.

Građevinski materijal

Drvo je bilo i ostalo veoma važan materijal u građevinarstvu, još iz perioda prvih ljudskih skrovišta, kuća i brodova. Gotovo svi brodovi bili su napravljeni od drveta sve do kraja 19. vijeka, ali i danas je ostalo vrlo važna sirovina u brodogradnji. U ove svrhe naročito mnogo se koristi drvo brijesta jer je vrlo otporno na propadanje sve dok je vlažno. Ono se prije pojave modernih vodovodnih cijevi koristilo za cijevni transport vode.

U Sjevernoj Americi, drvo koje se obično koristi u građevinarstvu naziva se engleski: lumber. U engleskom govornom području taj pojam obično označava oborena, pala stabla, dok se pojmom engleski: timber označavaju ispiljene daske spremne za korištenje. U srednjovjekovnoj Evropi, najviše se upotrebljavalo hrastovo drvo za sve drvene konstrukcije, uključujući zidove, vrata, podove i grede. Danas se koristi vrlo široka paleta drvenih proizvoda, počev od masivno izrađenog namještaja, vrata i drugih.

I danas se u mnogim zemljama svijeta kuće često prave sa drvenom konstrukcijom. Proizvodi od drveta čine veliki dio građevinske industrije. Osim privatnih (stambenih), ono se koristi i u komercijalnim (poslovnim) zgradama kao strukturni i estetski materijal. U zgradama od drugih materijala, drvo još uvijek nalazi primjenu kao pomoćni materijal, naročito u krovnim konstrukcijama, unutrašnjoj stolariji i njenim okvirima. Također, drvo se uglavnom koristi i za pravljenje okvira pri betoniranju.

Ogrijev

Reciklažni kod za drvo

Drvo u čistom obliku može se bez poteškoća odložiti putem kompostiranja ili sagorijevanja, uz istovremeno dobijanje energije. Drvo za ogrijev je kao održiva sirovina pokazalo izuzetno dobar ekobilans, jer se može ciklično uzgajati i trošiti. Iskorišteni drveni proizvodi i otpadno drvo sve više se koriste za ogrijev i sirovina u elektranama za proizvodnju energije na bazi biomase. Takva energija se smatra neutralnom iz aspekta ispuštanja CO₂. U manje razvijenim zemljama drvo se i danas dosta koristi kao energent za zagrijavanje prostorija. Razvitkom automatskih uređaja za sagorijevanje na bazi drvenog peleta, drvo kao energent se pokazalo ne samo ekonomično, nego i pogodno u te svrhe na istom nivou kao i lož-ulje ili gas. Naprimjer u Njemačkoj se 2006. godine oko 2% primarne energije dobijalo na taj način, što se u smislu nedostatka subvencija može smatrati ekonomskim uspjehom. Prema podacima za 2014. u Bosni i Hercegovini je prodato i potrošeno 1,251 miliona m³ ogrijevnog drveta. Prema ranijim studijama, procjenjuje se da je prosječni prirast drvene mase u šumama na području jugoistočne Evrope iznosio oko 7m³/ha. Noviji podaci navode da godišnji (zapreminski) prirast drvne mase u šumama u BiH iznosi oko 7,94 miliona m³.

Drugi način recikliranja drveta je visokotemperaturna piroliza. Pomoću ovog metoda iz drveta i drugih organskih supstanci mogu se dobiti razne hemijske sirovine koje zamjenjuju fosilna goriva. Ova metoda istovremeno predstavlja iskoristivost drveta i drugih obnovljivih sirovina, jer će nestankom fosilnih goriva ona sve više dobijati na važnosti. U procesu recikliranja drvo ima šifru 50 (skraćenica: FOR).

Sportska oprema

Mnoge vrste sportske opreme načinjene su od drveta ili su u prošlosti bile načinjene od njega. Naprimjer, palice za kriket su obično napravljene od drveta bijele vrbe (Salix alba). Palice za bejzbol koje se po pravilu koriste u MLB ligi često se prave od drveta pekana (Carya) ili jasena, dok se od nedavno počele proizvoditi i od drveta javora, iako je takvo drvo donekle lomljivo. Tradicionalno, parket u starijim dvoranama gdje se održavaju NBA utakmice obično je drveni.

Također, mnoge druge vrste sportske i rekreacijske opreme, poput skija, hokejaških štapova, štapova za lacrosse ili streličarskih lukova obično su u prošlosti bili izrađivani od drveta, ali su od tada zamijenjeni modernijim materijalima poput aluminija, fiberglasa, karbonskih vlakana, titanija i kompozitnih materijala. Jedan značajnijih primjer ovog trenda su palice za golf čiji se vrh tradicionalno izrađivao od drveta japanske jabuke, dok se danas obično pravi od sintetičkih materijala.

Vanjski linkovi

• Smjernice Evropske unije o provođenju Uredbe EU o drvu, pristupljeno 28. marta 2016. (en) (pdf)
• O drvetu Arhivirano 1. 7. 2015. na Wayback Machine, na stranici mojaradionica.com (sr)
• Članak Uloga drvenih konstrukcija Arhivirano 8. 6. 2017. na Wayback Machine, na stranici gradimo.hr (hr)