STRUTTURA DEL LEGNO

Il legno possiede caratteristiche che lo differenziano molto dagli altri materiali. Esso è anzitutto “rinnovabile”, in quanto viene ricavato da organismi viventi ( gli alberi) e quindi la messa a dimora di nuove piante negli spazi lasciati liberi dalle operazioni di taglio permette di ricostruire in tempi ragionevoli il patrimonio forestale. Possiede buone caratteristiche meccaniche, una bassa densità un notevole potere coibentante, un aspetto gradevole, è facilmente lavorabile ed infine è biodegradabile o in ogni caso facilmente smaltibile. Accanto a queste qualità positive, ce ne sono altre che rendono questo materiale piuttosto difficile. Esso infatti, analogamente ai materiali compositi rinforzati con fibre, è isotropo, ovvero le sue caratteristiche fisiche e meccaniche cambiano notevolmente al variare della direzione.

Inoltre è igroscopico e quindi varia il suo contenuto di umidità e il suo volume a secondo delle condizioni ambientali; le sue caratteristiche sono inoltre fortemente influenzate dalla presenza di difetti quali nodi e fessurazioni o da danni provocati da microrganismi (insetti, funghi) o da eventi fisici come lesioni del tronco a folgorazioni, urti, ecc. I pregi, però, di questo materiale superano ampiamente i difetti, per cui, nonostante la concorrenza delle materie plastiche, del calcestruzzo, delle leghe metalliche, il legno è utilizzato da moltissime industrie per un gran numero di applicazioni. Infine, la messa a punto di semilavorati derivati dal legno (pannelli, compensati ecc..) con caratteristiche sempre più avanzate e la tendenza a usare sempre più materiali “naturali” riciclabili o rinnovabili fanno prevedere nel prossimo futuro un aumento notevole dei consumi di questa materia prima.

La fonte di approvvigionamento del legno è costituita dagli alberi. Essi sono composti dalle radici, che hanno la funzione di ancorare la pianta al suolo e di assumere dal terreno l’acqua e le sostanze nutrienti, dal fusto (o tronco) che conduce le soluzioni dalle radici alle parti aeree, e infine dalla chioma, costituita dai rami e dalle foglie. I principali tipi di alberi sono costituiti dalle conifere (o gimnosperme) e dalle latifoglie (angiosperme). I legni ricavati dalle conifere vengono definiti dolci (softwood secondo la nomenclatura anglosassone), mentre quelli ricavati dalle latifoglie vengono definiti duri (hardwood). La classificazione in legni dolci e duri è tradizionale e spesso non ha riscontro con la realtà: esistono infatti alcune latifoglie (balsa e pioppo) i cui legni sono molto più teneri (dolci) di quelli di alcune conifere (tasso e pitchpine). Le conifere sono diffuse essenzialmente nelle zone settentrionali e nelle zone temperate, dove possono formare dei boschi misti con le latifoglie. Quest’ultime sono diffuse anche in zone tropicali ed equatoriali. All’equatore, le foreste pluviali, che sono le più estese, occupano il 7% della superficie terrestre. Esse, però, sono in contrazione alla velocità di 40 ettari al minuto. Questo rapido processo di deforestazione è dovuto alla necessità dei paesi più poveri di procurarsi, mediante l’esportazione di legni pregiati, i capitali necessari per importare i beni strumentali e le materie prime indispensabili per alimentare le loro economie.

Il legno rappresenta il tessuto del tronco, dei rami e delle radici di un albero e degli arbusti. Esso viene prodotto da uno strato di forma anulare detto “cambio”. Da esso, durante il periodo vegetativo, si differenziano nella parte interna le cellule del legno (xilema) e nella parte esterna le cellule del libro (floema), che forma la parte più interna della corteccia), la cui crescita è decisamente inferiore a quella del legno. Fondamentalmente la struttura del legno può essere esaminata a cinque livelli : a livello della struttura del tronco; a livello della struttura macroscopica; a livello della struttura microscopica; a livello della struttura nanoscopica; a livello della struttura molecolare.

Struttura del legno a livello del tronco. Osservando la sezione di un tronco non scortecciato, si possono riconoscere ad occhio nudo, a seconda della specie legnosa, dall’esterno verso l’interno:

  • la corteccia, divisibile in esterna ed interna (libro);
  • il legno costituente la parte principale con l’alburno ed il durame più o meno distinguibili (legno differenziato o indifferenziato), con gli anelli di accrescimento, con i raggi midollari e gli altri tessuti.
  • il midollo al centro, di scarsa compattezza.

Il cambio, che si trova tra corteccia e legno, è riconoscibile solo a livello microscopico.  Nel suo primo anno di crescita, l’albero produce il cosiddetto “legno giovanile”, che si trova nel centro del tronco immediatamente vicino al midollo. Nelle Conifere, il legno giovanile si contraddistingue da quello maturo per le seguenti caratteristiche:

  • anelli di accrescimento più ampi;
  • minore massa volumica;
  • resistenza e rigidezza da 50 a 70% inferiori.

Tra il quinto ed il ventesimo anno di crescita, le caratteristiche del legno migliorano gradualmente fino a raggiungere, all’incirca dal ventesimo anno di crescita, nel legno maturo, le “normali” proprietà del legno da noi conosciute. Il legno nelle vicinanze del midollo presenta, pertanto, una resistenza nettamente inferiore di quello lontano da esso. Per questa ragione, nella classificazione a vista del legno secondo la resistenza, la presenza del midollo non è ammessa nella categoria S13.

Con l’invecchiamento dell’albero, il legno si divide in alburno e durame mediante fenomeni di duramificazione. L’alburno circonda il durame ed è, di regola, più chiaro. L’alburno è costituito da cellule vive e fisiologicamente attive; esso ha funzione conduttrice dell’acqua e di immagazzinamento. L’ampiezza dell’alburno è molto variabile. L’alburno è generalmente poco durevole ed è, quindi, meno resistente del durame alle alterazioni biologiche indotte da funghi ed insetti. Il durame si forma in tutti gli alberi. La sua formazione comincia da una ben determinata ampiezza dell’alburno. Il durame comprende le zone interne del legno. Esso è costituito da cellule morte ma assolve ancora la funzione di sostegno ed è importante per la rigidezza e la stabilità dell’albero. Fondamentalmente si distingue tra:

  • durame differenziato obbligatoriamente: immagazzinamento delle sostanze duramificanti nella parete cellulare (simile ad un “impregnamento” della parete cellulare) → spesso maggior resistenza agli attacchi fungini;
  • durame differenziato facoltativamente: immagazzinamento delle sostanze duramificanti sulla parete cellulare → scarsa resistenza agli attacchi fungini.

Oltre alla maggiore durabilità del durame differenziato obbligatoriamente, il durame colorato (differenziato) possiede altre proprietà fisico-meccaniche diverse da quelle dell’alburno: è di regola più scuro, più secco, più pesante, più duro e spesso più difficilmente impregnabile.

Struttura del legno a livello macroscopico. Struttura, disposizione, forma e grandezza dei tessuti o degli insiemi risultanti da diversi tipi di cellule (da cui risulta l’aspetto di una specie legnosa) hanno carattere macroscopico, ovvero sono riconoscibili ad occhio nudo o per lo meno con una lente d’ingrandimento. Al contrario, la struttura delle singole cellule può essere osservata solo con un microscopio. Soltanto i vasi, che conducono la linfa greggia (acqua e ioni minerali) sono, per numerosi legni, tanto grandi da essere visibili a livello macroscopico come pori, in sezione trasversale, o come canali porosi, in sezione longitudinale.

Struttura del legno a livello microscopico. Il legno è costituito da milioni di cellule di diverso tipo, grandezza, forma, numero e distribuzione. Cellule dello stesso tipo si presentano raggruppate nei cosiddetti tessuti. In relazione alle tre funzioni principali del legno (sostegno, conduzione ed immagazzinamento), i tessuti si dividono in: tessuto meccanico fondamentale o di sostegno, tessuto conduttore e tessuto parenchimatico o di riserva (Tabella 1.1). Inoltre vi sono eventualmente anche tessuti secondari: tessuto secretore (ad es. i canali resiniferi) e tessuti anomali (ad es. lesioni, legni di reazione). Le cellule sono di forma allungata con cavità centrale (lumen). La forma della loro sezione può essere poligonale o circolare. La maggior parte delle cellule del legno sono disposte parallelamente all’asse del tronco o meglio “in direzione della fibratura”. Perpendicolarmente ad essa, ovvero orizzontalmente per un albero in piedi, vi sono numerosi aggregati nastriformi di cellule indicati come “raggi del legno”. Cellule contigue comunicano direttamente per mezzo di aperture (pori) nella due pareti terminali (apicali) che hanno funzione conduttrice della linfa.

Struttura del legno a livello nanoscopico. La parete cellulare è strutturata come un materiale fibroso composto. Nelle tracheidi delle Conifere e nelle fibre libriformi delle Latifoglie, le pareti cellulari sono formate da tante lamelle di fibrille di cellulosa in una matrice di lignina che, mediante le emicellulose, costituiscono una rete a maglie e sono collegate tra loro. Due tracheidi di Conifere, o due fibre di Latifoglie, contigue vengono collegate mediante la lamella mediana (LM). Da entrambi i lati si deposita, per ogni cellula, una parete primaria (P) molto sottile. Su di essa segue la parete secondaria (S), che è costituita da tre strati (S1, S2 e S3) e rappresenta la parte più cospicua della parete cellulare. Dal punto di vista strutturale è importantissimo lo strato S2, il cui spessore rappresenta il 70-90% dello spessore totale della cellula. In questo strato le fibrille sono disposte a spirale, formando un angolo θ con l’asse della cellula. Questo angolo assume valori attorno ai 45° nei legni delle gimnosperme, mentre nei legni delle angiosperme assume valori più bassi (10-20°). La parete primaria è costituita da fibrille disposte disordinatamente e da sostanze pectiche ed emicellulosa. La parete più interna della cellula è molto sottile ed è costituita da sostanze pectiche, emicellulosa e fibrille di cellulosa disposte ad elica con un angolo θ molto vicino ai 90°.

Struttura del legno a livello molecolare. Il legno è costituito essenzialmente da circa 50% di carbonio (C), 44% di ossigeno (O) e 6% di idrogeno (H), da un contenuto medio di ceneri pari a 0,2-0,3% (→ sostanze minerali) e da un contenuto di azoto inferiore allo 0,1%. La composizione esatta dipende dal tipo di albero ed oscilla lievemente anche all’interno di uno stesso tronco. Le differenti proprietà del legno non sono determinate dal contenuto in percentuale degli elementi chimici ma dai differenti legami chimici e fisici degli stessi. Il legno è un materiale composito costituito dalle sostanze a struttura macromolecolare formanti il complesso delle pareti cellulari, ovvero cellulosa, emicellulose e lignina, presenti in gran quantità, e da sostanze di natura diversa a struttura micromolecolare, presenti in ben più limitata quantità. La cellulosa, polisaccaride composto da unità ripetute del monomero di glucosio, è il costituente caratteristico delle pareti cellulari delle piante e ne determina largamente la loro struttura. Essa forma nella parete cellulare una gerarchia di strutture fibrillari, parzialmente legate una all’altra per mezzo di una matrice omogenea costituita da pectina ed emicellulose. Si può quindi definire la cellulosa come l’ossatura della parete cellulare. Essa conferisce alle celle elevata stabilità della forma ed in particolare elevata resistenza a taglio ed a flessione. Le emicellulose rappresentano, nel collegamento con la cellulosa, il “partner” facilmente deformabile, in modo che il materiale composito possa rimanere flessibile ed elastico. Contrariamente alla cellulosa, con le sue lunghe molecole a catena, la lignina, amorfa e formante una rete tridimensionale, non è elastica. Non si presenta come costituente indipendente ma si deposita (“incrosta”) durante la lignificazione (ultima fase della formazione della parete cellulare). Con questo processo si riduce sensibilmente l’estensibilitá delle pareti cellulari mentre rigidezza e resistenza a compressione sono significativamente più elevate. La parete cellulare è quindi un corpo misto di cellulosa resistete a trazione e lignina resistente a compressione, simile all’acciaio nel calcestruzzo di un elemento di calcestruzzo armato o alle fibre nei materiali compositi sintetici. Le sostanze contenute nel legno (per es. sostanze pectiche) appartengono alle più differenti categorie chimiche e sono, per tipo e quantità, caratteristiche delle rispettive specie legnose. Sebbene rappresentino solo una piccola percentuale della massa del legno, queste sostanze hanno una grande influenza sulle sue caratteristiche chimiche, biologiche e fisiche, ed un diretto effetto sulle sue caratteristiche meccaniche molto piccolo o nullo.

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