Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně
Navlhavost a nasáklivost dřeva Fyzikální vlastnosti dřeva Protokol č.4
Vypracoval: Pavel Lauko Obor: DI Ročník: 2. Skupina: 1.
Datum cvičení: 24.9.2002 Datum vyprac.: 10.12.02
Navlhavost a nasáklivost dřeva Zadání: 1. Stanovte po 21 dnech máčení u standardních tělísek SM, DB, BK maximální vlhkost wmax a maximální hustotu ρw max. Srovnejte s teoretickými vypočítanými hodnotami. 2. Vypočítejte pórovitost při vlhkosti 0% P0 a při určité vlhkosti Pw, určete teoretické množství látky, které se může do dřeva impregnací dostat. 3. Vypočtěte sorpční izotermu dle Andersona-McCarthyho a teorie termodynamiky sorpce (-∆Hs ≈ ∆Gs), srovnejte sorpční izotermy mezi jednotlivými dřevy a sestrojte NOMOGRAM RVD = f(T,φ). 4. Diskuse
Cíl práce: Literární přehled : Nasáklivost Dřevo je maximálně nasáklé vodou (má maximální vlhkost), je-li plně nasyceno vázanou vodou a obsahuje-li maximální množství vody volné. Množství volné vody je závislé především na objemu pórů ve dřevě, který je nepřímo úměrný hustotě dřeva.
1 1 * ρ h2o MNBS = f ( ρ ) = − ρ K ρ0
[%]
Wmax. ... maximální vlhkost dřeva ρk ... konvenční hustota dřeva [kg*m-3] ρs ... hustota dřevní substance [kg*m-3] ρo ... hustota absolutně suchého dřeva [kg*m-3] Vypočtené hodnoty neodpovídají vždy skutečnosti, protože dosazené hodnoty ρk, ρs, ρo a MH jsou hodnotami průměrnými a navíc všechny póry ve dřevě nemusí být vyplněny pouze vodou. Přítomna může být např. pryskyřice, ucpání cév thylami a pod.. K plnému nasycení dřeva vodou dojde za poměrně dlouhou dobu (dny až týdny). Rychlost nasáklivosti závisí na druhu dřeviny, počáteční vlhkosti, teplotě, tvaru a na rozměrech sortimentu. Nasáklivost dřeva jádra je menší než běli. Se zvyšující se hustotou dřeva se nasáklivost zmenšuje. Zvýšením teploty se nasáklivost dřeva urychluje.
Termodynamika sorpce Systém dřevo – voda je systémem termodynamickým, o kterém předpokládáme, že děje v něm probíhající jsou reversibilní. Pro další uvažování je toto značné zjednodušení nutné, ačkoliv víme, že vzhledem k hysterezi sorpce jde pouze o metastabilní rovnováhu. Změna struktury nebo skupenství látek je z termodynamického hlediska doprovázena změnami energie.Voda ve dřevě existuje ve všech třech skupenstvích pevném, kapalném i plynném – a s přechodem z jednoho skupenství do druhého se mění jejich entalpie. V systému dřevo – voda existuje termodynamická rovnováha všech složek, které se zde nachází – dřeva (D), vody kapalné (V) a vodní páry (P). Musí zde tedy platit 3 základní rovnovážné stavy, a to rovnováha : - tepelná (rovnováha teplot)
TD = TV = TP
- hydrodynamická (rovnováha tlaků)
pD = pV = pP
- chemická (rovnováha volných energií)
GD = GV = GP
Přechod mezi skupenstvími spočívá v překonávání energetických bariér. Při vypařování vody z volného povrchu musí molekula vody překonat energetickou bariéru způsobenou povrchovým napětím, musí zvýšit svoji entalpii. Při vypařování vody ze dřeva musí molekula vody překonat obdobnou energetickou bariéru způsobenou vazebnými silami vody ve dřevě (vodíkové vazby). Sorpce vody dřevem je tedy zachytávání molekul vodní páry přitažlivými silami hydroxylových skupin OH-, kdy voda vykonává fázový přechod z jednoho skupenství do druhého ( vodní pára . kapalina), což je spojeno se změnami energetických hladin. Termodynamika vody volné Základní vztah mezi absolutními hodnotami entalpie, volné energie, entropie a absolutní teplotou látky:
H = G + T*S
H ... entalpie [J*mol-1] G ... volná energie (Gibbsova energie) [J*mol-1] S ... entropie [J*mol-1*K-1] T ... absolutní teplota [°K]
Entalpie H může být definována jako celková vnitřní energie látky (např. množství tepla) obvykle na molární úrovni. V závislosti na fyzikálních změnách látky pak hovoříme o teplu kondenzace (přechod skupenství z plynného do kapalného), evaporace (přechod skupenství z kapalného do plynného), sublimace (přechod skupenství z pevného do kapalného). Předpokládáme, že teplotě 0 °K odpovídá entalpie látky H = 0 J*mol-1.
Entropie S vyjadřuje degradaci energie látky v energii tepelnou TS. S rostoucí teplotou entropie vždy stoupá, protože roste náhodný pohyb molekul látky. Je tedy měřítkem neuspořádanosti soustavy a vypovídá o směru energetických změn. Volná energie G vody volné je dána rozdílem mezi celkovou vnitřní energií (entalpií) a nevyužitelnou energií (součin entropie a absolutní teploty) Protože entropie s teplotou roste, můžeme usuzovat na současný pokles množství volné energie v látce. Poklesu volné energie odpovídá rozpínání vodních par nebo plynu – se stlačováním plynu vzrůstá, s rozpínáním klesá. Protože je vzduch nasycený vodní parou v termodynamické rovnováze s vodou kapalnou (evaporace . kondenzaci), mají obě látky stejné množství volné energie rovné GW. Nenasycený vzduch vodní parou má ve srovnání se vzduchem nasyceným větší molární objem M, a tudíž i nižší G. Vzniká tedy gradient volné energie .G mezi kapalinou a nenasyceným vzduchem, a důsledkem je evaporace vody až do dosažení rovnovážného stavu. .G může být vypočítána z práce potřebné k roztažení nasyceného vzduchu na objem odpovídající vzduchu nenasycenému. Tento deficit volné energie nenasycené vodní páry nebo vody vázané. Gz může být považován za hybnou sílu difúze vlhkosti ve dřevě. Vlhkost ve dřevě se vždy pohybuje z míst o vyšší energii do míst s nižší energií s cílem nastolit termodynamickou rovnováhu.
Termodynamika vody vázané Pokles volné energie vody vázané .Gs může být vyjádřen analogicky k odpovídajícím změnám entalpie a entropie vody vázané .Hs = .Gs + T.S. Oba členy na pravé straně rovnice jsou záporné, proto i .Hs je negativní, což odpovídá uvolňování tepla při sorpci vody, kdy jsou molekuly vodní páry poutány přitažlivými silami vodíkových vazeb a vázány k sorpčním místům v buněčné stěně, a odváděním tepla do prostředí. Při příjmu vázané vody dřevem se tedy teplo uvolňuje a nazýváme ho diferenciálním teplem sorpce Es [J*mol-1]. Je to dodatečné teplo, které je nutno dodat nad teplo výparné Eo, aby se odpařil 1 mol vody vázané. Může být zjištěno také graficky pro danou vlhkost dřeva ze známého průběhu sorpční izotermy při rozdílných teplotách a odpovídajících relativních vzdušných vlhkostech. Podobně lze také stanovit hodnotu výparného tepla vody Eo ze známého tlaku nasycených vodních par po a teploty vzduchu T.
Teorie sorpce Dřevo je hygroskopický materiál, který má schopnost měnit svoji vlhkost podle vlhkosti okolního vzduchu. Závislost rovnovážné vlhkosti dřeva na relativní vzdušné vlhkosti při konstantní teplotě nazýváme sorpční izotermou. V literatuře můžeme najít velké množství rovnic sorpčních izoterem, které jsou spojeny s určitým modelem vysvětlujícím mechanismus sorpce. Jedná se zejména o modely :
- vrstevnaté sorpce založené na povrchové adsorpci na izolovaná sorpční místa (OH- skupiny sacharidického podílu dřeva) - sorpčního polymeru založené na analogii teorie stavu sol-gel pro dřevo ve vodě - empirické Vystavíme-li absolutně suché dřevo působení prostředí o konstantní teplotě a nasycenému vzduchu vodními parami, začne dřevo vodu poutat procesem zvaným adsorpce. Obrácený děj se nazývá desorpce. Během adsorpce dochází postupně ke třem parciálním dějům označovaným jako : - monomolekulární sorpce (chemická sorpce, absorpce) - polymolekulární sorpce (adsorpce) - kapilární kondenzace
Monomolekulární sorpce Molekuly vody jsou poutány přitažlivými silami sorpčních míst neorientovaných amorfních oblastí celulózových řetězců, případně celé holocelulózy. Vazbami přes vodíkové můstky jsou molekuly vody ukládány do mezimicelárních a mezifibrilárních prostor, které jsou dostatečně prostorné pro umístění molekul vody (průměr molekuly vody je asi 0,3 nm). Vzhledem k submikroskopické stavbě buněčné stěny dochází k monomolekulární sorpci nejprve v amorfní oblasti micel, kde se nachází nejvíce volných hydroxylových skupin. Na povrchu fibrilární struktury buněčné stěny se postupně vytváří vrstvičky vody, kdy je pravděpodobně na každém volném sorpčním místě navázána jedna molekula vody. Teorie mononukleární sorpce vychází z představy velkého vnitřního povrchu dřeva, na kterém se nacházejí izolovaná sorpční místa tvořená volnými OH- skupinami. Touto teorií je vysvětlována sorpce při RVD 0 – 7 %, což odpovídá ..20 %. V důsledku značné pevnosti vazeb vodíkovými můstky (4 – 40 kJ*mol-1) jsou molekuly vody v mononukleární vrstvě zahuštěny na hustotu 1,3 g*cm-3. Nízká rovnovážní vlhkost dřeva ještě nezpůsobuje významnější bobtnání buněčné stěny, proto monomolekulární sorpce není doprovázena změnami a dislokacemi v krystalické oblasti celulózy. Matematicky je monomolekulární sorpce popisována Langmuirovou sorpční izotermou.
Polymolekulární sorpce Nad vrstvičkou molekul vody poutaných přes vodíkové můstky sorpčních míst amorfních částí celulózy se adsorbují další molekuly vody, které vytvářejí polymolekulární vrstvu. Tato vrstva je tvořena až pěti řadami molekul vody, které jsou na povrchu monomolekulární vrstvy drženy Van der Waalsovými mezimolekulárními silami, elektrostatickými silami a částečně i slábnoucími silami vodíkových můstků sorpčních míst. Polymolekulární vrstva není rozložena rovnoměrně, některé oblasti adsorbují více než jiné. S rostoucí vzdáleností molekul vody od povrchu sorbetu (holocelulóza) klesá vliv vazeb
vodíkovými můstky a fyzikální vlastnosti adsorbované vody se blíží vlastnostem vody kapalné. Průměrná hustota takto vázané vody se pohybuje kolem 1,0 – 1,2 g*cm-3 a povrchové napětí odpovídá vodě kapalné. S rostoucí tloušťkou vrstvy polymolekulární sorpce je spojováno značné bobtnání buněčné stěny, jehož důsledkem je také rozevření původně nedostupných krystalických oblastí celulózy a vytváření mezokapilár. Touto teorií je vysvětlována sorpce při RVD 7 – 15 %, což odpovídá ö od 20 do 70 %. Matematicky je polymolekulární sorpce popisována Dentovou nebo BET sorpční izotermou.
Kapilární kondenzace Při relativní vlhkosti vzduchu vyšší než 70 % dochází v mikro- a mezokapilárách ke kapilární kondenzaci, která závisí na poloměru kapilár. Zvláště v mezokapilárách buněčné stěny o poloměru 5*10-8 – 10-6 m může docházet ke kondenzaci vzdušné vlhkosti již při relativní vzdušné vlhkosti nižší než je stav nasycení. Od určitého poloměru při dané relativní vzdušné vlhkosti vodní pára v kapiláře kondenzuje a smáčí vnitřní povrch dřeva jako kapalina se stejnými fyzikálními vlastnostmi. S rostoucí vlhkostí je tato voda odváděna do intermicelárních a interfibrilárních prostor buněčné stěny. Maximální vlhkost, které je v buněčné stěně dosaženo, závisí na maximálním roztažení fibrilární struktury. Toto roztažení je omezeno jednak mechanickými vlastnostmi buněčné stěny – její pružností, a jednak vrstevnatostí buněčné stěny s odlišným průběhem fibrilární struktury v sekundárních vrstvách BS. Teorie kapilární kondenzace se uplatňuje při RVD od 15 – 20 % do MH.
Sorpční izoterma Je vytvořeno několik desítek sorpčních izoterem. Jedním z kritérií použitelnosti dané sorpční izotermy je její shoda s experimentálními daty. Na tomto principu jsou konstruovány empirické modely. Konkrétní hodnoty sorpční izotermy - stav vlhkostní rovnováhy v závislosti na relativní vlhkosti a teplotě vzduchu - můžeme určit buď z nomogramů nebo výpočtem z některé rovnice sorpční izotermy. Obvyklým nomogramem je Keylwert - Loughboroughův.
Anderson - McCartyho sorpce Je to sorpční izoterma mající semiempirický tvar. Vychází z předpokladu, že pokles volné energie vody vázané během sorpce je přímo úměrný poklesu sorpčního tepla, tj. že platí .HS . .GS . Z tohoto vztahu můžeme odvodit rovnici :
ln ϕ ≈
21100 −14W e RT
Tento tvar rovnice odpovídá zhruba obecné Arheniově rovnici y=Ae-BW. Vyjádřením koeficientů A a B jako závisle proměnných na absolutní teplotě lze tento vztah převést na rovnici :
W =
1 A ln B ln 1
ϕ
Koeficienty A a B vyjadřují různí autoři různě : A=7,731706 - 0,014348*T B=0,008746 + 0,000567*T (de Boer - Zwicker) A=0,19*105*T-1,51 B=0,39*10-3*T1,07 (Chung - Pfost)
Hystereze sorpce Ve skutečnosti se RVD u adsorpce a desorpce liší. Tento jev se nazývá sorpční hystereze. Velikost hystereze sorpce se vyjadřuje poměrem RVDadsorpce/RVDdesorpce. Poměr sorpčních izoterem při adsorpci a desorpci pro rozpětí relativní vzdušné vlhkosti ö=20 - 90 % je poměrně konstantní a kolísá zhruba v rozmezí 0,8 - 0,9. Při ö<20 % a ö>90 % se hystereze sorpce blíží k jedné rozdíl mezi adsorpcí a desorpcí se ztrácí.
Hustota dřeva Je-li těleso homogenní a existuje-li limita objemu tělesa, hovoříme o hustotě. V ostatních případech je zaveden pojem objemová hmotnost. Veličinu značíme ń a jednotkou je kg*m-3. Hmotnost i objem dřeva jsou velmi ovlivněny vlhkostí dřeva. Hustota je jedna z nejvýznamnějších charakteristik dřeva protože významně ovlivňuje většinu fyzikálních a mechanických vlastností dřeva
Hustota dřevní substance Dřevní substancí nazýváme hmotu buněčných stěn bez submikroskopických dutin, lumenů a mezibuněčných prostor. Hustota dřevní substance ńS je potom vyjádřena poměrem hmotnosti dřevní substance mS a příslušného objemu VS. Tato veličina kolísá v rozmezí 1440 - 1550 kg*m-3 zejména v závislosti na chemickém složení dřeva a způsobu zjišťování. Jednotlivé skupiny dřev mají odlišný podíl chemických konstituent, z nichž zejména procentické zastoupení ligninu kolísá v rozmezí 15 - 35 %. Průměrnou hustotou a procentickým zastoupením základních stavebních látek buněčné stěny - celulóza 1560 kg*m-3, hemicelulózy 1500 kg*m-3 a lignin kg*m-3 – jsou dány rozdíly v hustotě dřevní substance. Vzhledem k podobnému podílu těchto látek u různých dřevin nezávisí ńS prakticky na druhu dřeviny. Jako průměrná hodnota ńS pro všechny dřeviny se uvádí 1530 kg*m-3.
Hustota dřeva v absolutně suchém stavu Je to objemová hmotnost dřeva (včetně mikrokapilár a lumenů) při vlhkosti 0 %.
Hustota vlhkého dřeva Je to objemová hmotnost dřeva při určité vlhkosti. Hustota dřeva se zvyšuje s vlhkostí, ale hmotnost a objem dřeva nerostou stejným způsobem. Zatímco hmotnost dřeva roste se zvyšující se vlhkostí až do maximálního nasycení (maximální vlhkost dřeva), objem se zvyšuje jen do MH (MNBS).
ρw =
m0 (1 + W ) 1+ w = ρ0 v0 (1 + α v ) 1+αw
Při vlhkosti W<MH můžeme za předpokladu lineární závislosti objemového bobtnání na vlhkosti vyjádřit ρW jako :
ρw = ρ0
1+W ≈ ρ0 1 + K αvW
1+W 0,28 ρ 0 w 1+ MH
Pro vlhkosti >MH se vztah redukuje na rovnici :
ρw = ρ0
1+W 1 + 0,933ρ 0 w
Stanovení hustoty vlhkého dřeva je možné také pomocí nomogramů, které vycházejí z výše uvedených vztahů. Pro jejich použití je nutné znát pouze hustotu dřeva v absolutně suchém stavu.
Materiál a metodika: Stanovení wmax a ρmax: Vzorky se v lázni nacházeli už 21 dní, z čehož můžeme předpokládat, že vzorek je maximálně vlhký a jeho objemová hmotnost je také maximální (při nasycení maximálním množstvím vody). Hodnoty, které považujeme za naměřené vypočítáme podle vztahů :
wmax =
m w max − mo * 100(% ) mo
ρ w max =
(
m w max g / cm 3 Vw max
)
Tyto hodnoty jsme pak porovnávali s hodnotami, které jsme již vypočítali z teoretických vztahů, podle kterých by se mělo dřevo (ideálně) chovat. Jedná se o tyto:
1 1 − * ρ H 2O *100(% ) wmax = ρk ρs
ρ w max = ρ o .
1 + wmax g / cm3 1 + 0.28 * ρ o
(
)
Výpočet pórovitosti a teoretického množství látky, které lze do vzorku naimpregnovat Pórovitost absolutně suchého dřeva lze vypočítat podle vzorce :
ρ Po = 1 − o *100(% ) ρs
Pórovitost vlhkého dřeva se vypočítá : - pro vlhkost nižší než MH
1 Pw = 1 − ρ k + w *100(% ) ρs Pórovitost vlhkého dřeva se vypočítá : - pro vlhkost vyšší než MH
1 Pw = 1 − ρ rw + w *100(% ) ρs Hmotnost látky, kterou lze teoreticky vpravit do vzorku :
m = Pw dřeva * ρlátky * Vw dřeva Matematické vyjádření sorpčních izoterem dle Andersona a McCartyho Rovnovážná vlhkost dřeva v závislosti na relativní vzdušné vlhkosti a teplotě lze vyjádřit pomocí vztahu :
w=
1 A ln B ln 1
ϕ
w - rovnovážná vlhkost dřeva, která odpovídá dané a T (%) A=7,731706-0,014348*T B=0,008746+0,000567*T T – termodynamická teplota při které určujeme sorpční izotermu (K) - relativní vlhkost vzduchu ( ) Pro názornost lze průběh závislostí vyjádřit také grafem. Hodnoty A a B byly získány z publikace Štruktura a vlastnosti dreva. Průběh této sorpční izotermy je nezávislý na druhu dřeviny. Matematické vyjádření sorpčních izoterem dle teorie termodynamické sopce
(∆Hs=∆Gs * k). Vztah pro rovnovážnou vlhkost dřeva je stejný jako pro předešlou metody, ale vyjádření koeficientů A a B je jiné. A=2100/RT B=0,14 Hodnoty pro dosazení do A a za B byly získány z publikace Štruktura a vlastnosti dreva. Sorpční izoterma dle Andersona a McCartyho byla považována za ideální průběh sorpční izotermy a byl podle ní určen koeficient opravující průběh sorpční izotermy dle teorie termodynamiky tak, aby se s ní co nelépe překrýval.
A =
dle de Boer - Zwickera A=7,731706 - 0,014348*T B =0,008746 + 0,000567*T
2100 RT * opravený .koeficient
Návrh vlastní izotermy, která vychází z termodynamiky sorpce Koeficienty a, b jsou hodnoty difirenciálního tepla sorpce určeného z tepla smáčení, jejich hodnota je pro konkrétní dřeviny odlišná a bývá uvedena v literatuře. Tento vzorec použijeme při sestrojení sorpčních izoterm jednotlivých dřev, pro jejich porovnání mezi sebou a
a 1 m *TR ln W= 1 b+n ln
ϕ
Výsledky měření a výpočtů: Data naměřená a vypočítaná u tří daných pracovních vzorků SM, BK, JS (20x20x30 mm): Tabulka č.:1 Hodnoty zkoumaných vzorků 1 Dře vina SM JS BK
wmax
ρmax
délka
a
b
Vmax
ρk
ρ0
P0
Pwmax
mmax
m0
(%)
(kg/m3)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm3)
(kg/m3)
(kg/m3)
(%)
(%)
(g)
(g)
118 70 77
1,231 1,030 1,170
3,02 3,00 3,02
2,08 2,16 2,14
2,01 2,10 2,03
12,620 13,608 13,120
328,25 531,48 573,00
402,70 698,02 664,37
73 54 56
39,8 5,50 18,4
9,70 12,84 13,24
4,44 7,54 7,48
Tabulka č.:2 Hodnoty zkoumaných vzorků 2 Dřevina SM JS BK
ρwmax (kg/m3) 1,231 1,030 1,170
wmax (%) 239 123 109
Grafické zpracování měření a výpočtů. Graf 1.
Objemová hmotnost [kg/m3]
Závislost objemové hmotnosti na vlhkosti dřeva - SM 1000 900 800 700 600 500 75
100
125
150
175
Vlhkost [%] SM
Graf 2.
Objemová hmotnost [kg/m3]
Závislost objemové hmotnosti na vlhkosti dřeva - JS 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 50
75
100 Vlhkost [%] JS
125
Graf 3.
Objemová hmotnost [kg/m3]
Závislost objemové hmotnosti na vlhkosti dřeva - BK 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 50
60
70
80
90
100
110
Vlhkost [%] BK
Graf 4.
Množství impregnované látky [g]
Závislost impregnované látky na pórovitosti 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Pórovitost [%] SM
JS
BK
Graf 5.
Množství látky [g]
Závislost maximálního množství impregnovatelné látky na vlhkosti vzorku - SM, JS, BK 12 10 8 6 4 2 0 0
25
50
75
100
125
150
175
Vlhkost [%] SMRK
JASAN
BUK
200
225
250
275
Graf 6.
Sorpční izotermy dle Andersona a McCartyho Relativní vzdušná vlhkost [%]
1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
5
10
15
20
25
30
Rovnovážná vlhkost dřeva [%] T=20 °C
T=40 °C
T=60 °C
T=80 °C
Graf 7.
Porovnání dvou sorpčních izoterem Rovnovážná vlhkost dřeva [%]
40 30 20 10 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Relativní vzdušná vlhkost [%]
Teorie termodynamiky
Anderson a McCarty
Graf 8.
Rovnovážná vlhkost dřeva [%]
Vyrovnání dvou sorpčních izoterem 30
20
10
0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
Relativní vzdušná vlhkost [%]
Vyrovnání teorie termodynamiky
Anderson a McCarty
1
Graf 9.
NOMOGRAM 1 0,9 0,8 0,7 Relativní vzdušná 0,6 vlhkost
0,5 0,4 0,3 0,2 0
20
40
60
80
100
Rovnovážná vlhkost dřeva
Řada1
Řada2
Řada8
Řada9
Řada3
Řada4
Řada5
Řada6
Řada7
Graf 10.
2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 Vlhkost 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 -10
0,2-0,3 1,1-1,2
S6
Relativní vlhkost vzduchu
S1 4
18 32 46 60 74 88
0,3-0,4 1,2-1,3
0,4-0,5 1,3-1,4
0,5-0,6 1,4-1,5
0,6-0,7 1,5-1,6
0,7-0,8 1,6-1,7
0,8-0,9 1,7-1,8
0,9-1 1,8-1,9
1-1,1 1,9-2
Graf 11.
2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 Vlhkost 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 -10 4
18 32 46 60 74 88
0,2-0,3 1,1-1,2
0,4-0,5 1,3-1,4
0,3-0,4 1,2-1,3
S6
Relativní vlhkost vzduchu
S1
0,5-0,6 1,4-1,5
0,6-0,7 1,5-1,6
0,7-0,8 1,6-1,7
0,8-0,9 1,7-1,8
0,9-1 1,8-1,9
1-1,1 1,9-2
Graf 12.
2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 Vlhkost 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 -10
0,2-0,3 1,1-1,2
S6
Relativní vlhkost vzduchu
S1 4
18
0,3-0,4 1,2-1,3
32
46
0,4-0,5 1,3-1,4
60
74
0,5-0,6 1,4-1,5
88
0,6-0,7 1,5-1,6
0,7-0,8 1,6-1,7
0,8-0,9 1,7-1,8
0,9-1 1,8-1,9
1-1,1 1,9-2
Diskuse: V první části cvičení jsme opět pozorovaná tělíska změřili a zvážili. U při zápisu naměřených hodnot do tabulky jsme si všimli nepatrného, však ve vztahu k dřevěnému materiálu rozdílu oproti hodnotám naměřeným dříve a to, že byly rozměry větší. Z toho se potom odvíjely další výpočty a relativně vysoké hodnoty teoretických maximálních vlhkostí u jednotlivých dřevin. Výpočtem jsme tak získali hodnoty: SM 239%, JS 123%, BK 109%. Z toho můžeme již dopředu usoudit, že nasáklivost a její rychlost závisí na druhu dřeviny, počáteční vlhkosti. U smrku je teoretická maximální vlhkost zřetelně největší, z čehož po zobecnění přisuzujeme
jehličnanům větší nasáklivost než listnatým dřevinám.
K těmto dokázaným výsledkům si potom můžeme připojit teoretické znalosti o závislosti na teplotě, tvaru a na rozměrech sortimentu. Nasáklivost dřeva jádra je menší než běli. Se zvyšující se hustotou dřeva se nasáklivost zmenšuje. Zvýšením teploty se nasáklivost dřeva urychluje. Ke grafům 1. – 3. Můžeme předpokládat, že vztah objemové hmotnosti a vlhkosti bude záviset na teorii o pohybu a ukládání vody ve dřevě. Od 0 do zhruba 7 % vlhkosti (monomolekulární sorpce) se objem vzorku prakticky nemění (vzorek nebobtná). (Proto by bylo ideální používat dřevěný materiál o této vlhkosti, což v praxi není téměř možné, vzhledem na přijímání přirozené vzdušné vlhkosti dřevem.) Příjmem vody ale zvyšuje hmotnost vzorku, a proto objemová hmotnost dřeva roste spolu s vlhkostí. Faktory, které ovlivňují maximální vlhkost dřeva ovlivňují i pórovitost! Je zde mnohem větší vliv těchto faktorů, protože nelze vzít v úvahu vyluhování akcesorických látek. Vnikáním vody dřeva (rostoucí vlhkostí) se prostory uvnitř buňky (lumen) a uvnitř buněčné stěny postupně zaplňují vodou a zmenšuje se tak volný prostor, jeho podíl ve dřevě je vyjádřen veličinou pórovitost. Průběh závislosti pórovitosti na vlhkosti dřeva je dán (stejně jako objemová hmotnost) druhem vody (volné nebo vázané) obsažené při určité vlhkosti ve vzorku. Do meze hygroskopicity zároveň s příjmem vody dochází k bobtnání buněčných stěn a zvětšování buněčných prostor. Voda vázaná také pomaleji vniká do buněčných stěn. Proto do MH je pokles pórovitosti méně strmý. Po překročení MH už dochází pouze k příjmu vody do lumenů, a proto pórovitost klesá strměji neboť lumeny tvoří velké prostory pro ukládání vody. Sorpční izotermou se nazývá průběh křivky znázorňující odpovídající vlhkost materiálu dané relativní vlhkosti ovzduší při měnící hodnotě teploty. Diferenciální teplo sorpce není konstanta, ale je pro jednotlivé dřeviny rozdílná. Je potřeba si uvědomit že absorpce a desorpce není stejný děj. Působí zde hystereze, která nám posune desorpční křivku nad křivku absorpční, a proto pokud se zaměříme na výpočet nomogramů, vycházející z absorpce nemůžeme se jimi řídit pro desorpci, tedy sušení dřeva. Pro správné sušení dřeva bychom museli opět stanovit nové nomogramy odpovídající skutečnosti. Sorpční izoterma zhotovená pomocí Andersona-McCartyho je nepřesná protože každý vzorek je jiný. Termodynamická metoda je přesnější protože se u ní pracuje se změnou entalpie a Gibsovy energie, hodnoty A, B byly zkoumány a vyhodnoceny z dlouhodobých měření. Zhotovené diagramy jsou dobrou pomůckou pro určení rovnovážné vlhkost dřeva při určité teplotě. Tyto diagramy se musí zhotovovat pro jednotlivé dřeviny zvlášť.
Závěr: Došli jsme k závěru, že nasáklivost je do značné míry ovlivněna vlhkostí dřeva a nad bodem MNBS prudce stoupá. (graf 7. a 8.) Dále jsme si v tomto cvičení uvědomili, že pórovitost dřevního materiálu je také v jisté závislosti na vlhkosti. Měřená pórovitost dřeva vyhovovala zároveň s maximálním množstvím vimpregnovatelné látky závislosti na vlhkosti udané teorií. Její klesající průběh byl se zvyšující se vlhkostí mírný, od MH byl pokles strmější. (graf 5.)
Použitá literatura: Šlezingerová J., Rndr., Gandelová L., RNDr. : Stavba dřeva Horáček P., Dr. Ing. : Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva Gandelová L., Horáček P., Šlezingerová J. (1998) : Nauka o dřevě
