hygroskooppinen materiaali

2.2.2.3 veden sorptio ja permeabiliteetti

puu on hygroskooppinen materiaali; se voi adsorboida ja / tai desorb vettä ympäröivästä ympäristöstä ja pyrkii saavuttamaan tasapainotilan, kun ilmakehän suhteellinen kosteus (RH) on vakaa. Siksi puun kosteuspitoisuus (MC) on puukudoksessa olevan veden suhteellinen pitoisuus, joka johtuu luonnollisesta tilasta (elävässä puussa) tai on seurausta materiaaliin pidemmän aikaa vaikuttavien ilmakehä-tai hyödyntämistekijöiden vaikutuksesta. Tasapainotilan kosteuspitoisuuden ja RH: n suhdetta vakiolämpötilassa kutsutaan sorptio-isotermeiksi. Sorptio-isotermi on materiaalin ominaisuus, mutta siihen vaikuttavat tutkittavan näytteen lämpötila ja aiempi sorptiohistoria. Epävakaissa ympäristöolosuhteissa puun kosteus muuttuu jatkuvasti ja tasapaino saavutetaan harvoin (Popescu and Hill, 2013; Engelund et al., 2013).

elävässä puussa kosteusarvot vaihtelevat puulajeittain, puun sisällä esimerkiksi pintapuun ja sydänpuun välillä, vuodenaikojen välillä ja mahdollisesti myös vuorokaudenajan mukaan. Havupuiden osalta sydänpuun kosteuspitoisuus on tyypillisesti huomattavasti pienempi kuin pintapuun (Pallardy and Kozlowski, 2008; Engelund ym., 2013). Tämä ei aina päde lehtipuihin, joiden sydänpuun ja pintapuun kosteuspitoisuuden suhde riippuu lajista ja voi riippua myös vuodenajasta (Pallardy and Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013).

on mainittu, että puun vesi voi esiintyä kolmessa eri olomuodossa (vapaa vesi, jäätyvä sitoutumaton vesi ja jäätymätön sitoutumaton vesi; Nakamura ym., 1981; Berthold ym., 1996). Vapaan veden katsotaan olevan solulumen sisällä olevaa kapillaarivettä, kun taas sitoutunut vesi vuorovaikuttaa enemmän tai vähemmän hydrofiilisten puupolymeerien kanssa. Jäätyvän sitoutuneen veden on oletettu olevan kohtalaisesti sitoutunut soluseinään, kun taas jäätymätön on voimakkaasti sitoutunutta vettä.

ottaen huomioon, että puupolymeerien hydroksyyliryhmät ovat tärkeimmät sorptiopaikat, on esitetty, että vesimolekyylit voivat sitoutua kahteen vierekkäiseen hydroksyyliryhmään samanaikaisesti (Joly et al., 1996) muodostavat soluseinän sisällä yksikerroksisen eli voimakkaasti polaarisiin ryhmiin sitoutuneen veden. Tämä tapahtuu kosteuspitoisuus on jopa ~ 4%. Lisäksi polymolekulaarinen adsorptio tapahtuu kosteuspitoisuuden alueella, joka vaihtelee ~ 4%: sta 12%: iin, muodostaen monikerroksista tai heikosti sitoutunutta vettä substraattiin tai suurempiin vesiklustereihin. Kapillaarisorption ilmiö kattaa puun kosteuspitoisuuden 12%: sta ~ 30%: iin (soluseinän kyllästymispiste). Kosteuden kyllästymispiste saavutetaan puulla, kun sitä pidetään riittävän kauan ympäristössä, jossa RH-prosenttiluku on suurin ja joka on puulajista riippumaton määrä.

Fig. 2.5. Sorption isootherm piirretään koivun näytteen suhteellisen kosteuden funktiona (Betula sp.) puu.

kosteuspitoisuus ilmoitetaan tyypillisesti prosentteina puumassasta. Siksi puun sisältämä vesimassa on samalla kosteuspitoisuudella eri arvo yksittäisille puulajeille. Tiheämpi puu sisältää enemmän vettä kuin tiheämpi puu samalla kosteuspitoisuudella.

veden adsorptioon ja desorptioon liittyy puun lineaaristen mittojen muutoksia (turpoaminen ja kutistuminen). Puun anisotrooppisen anatomian vuoksi sen kosteuspitoisuuteen liittyvät muodonmuutokset ovat erilaisia pituussuunnassa, säteittäisessä ja tangentiaalisessa suunnassa. Suurin kokomuutos tapahtuu vuosittaisten kasvurenkaiden suuntaan (tangentiaalisesti), vähemmän poikittain renkaisiin nähden ja vähän varren suuntaan. Lisäksi eri puulajit turpoavat eri tavoin (Rowell, 2005; Hohne and Tauer, 2016).

puun imukyky on veteen (tai muihin nesteisiin) upotetun puun kyky absorboida sitä. Absorptio määritellään kolmen parametrin, absorption nopeuden, suurimman vesikapasiteetin ja kyllästymisasteen (kertoimen) avulla. Niiden numeeriset arvot riippuvat puulajista (sen tiheys ja huokoisuus), runkovyöhykkeestä (pintapuu tai sydänpuu), puukudoksen alkuperäisestä kosteuspitoisuudesta, nestetyypistä, näytteen koosta ja puun anatomisesta suunnasta.

puun läpäisevyys on materiaalin alttius kostumiselle ja sen kyky päästää neste sen läpi. Tämä ominaisuus on tärkeä muun muassa kyllästysprosesseissa (puunsuojauksessa) ja rakentamisessa. Tärkeimpiä läpäisyalttiutta määrittäviä tekijöitä ovat puun anatomia, rungon poikkileikkausvyöhyke (pintapuu, sydänpuu), anatominen suunta ja nesteen paine.

veden tunkeutumisella, kun puu altistuu kosteudelle, ja vapautumisnopeudella, kun puun annetaan kuivua, on merkittävä vaikutus suorituskyvyn ja odotettavissa olevan käyttöiän määrittämiseen. Koska vedenläpäisevyys on yksi tärkeimmistä puukomponentin suorituskykyyn vaikuttavista tekijöistä, koska se hillitsee sienten lahoamisen mahdollisuutta, vähemmän vettä läpäisevien puulajien odotetaan menestyvän paremmin kuin läpäisevien puulajien käyttöluokissa, joissa puu altistuu ajoittaiselle kostumiselle. Märkyysaika on myös keskeinen tekijä sienten kehityksessä, ja siihen vaikuttavat ympäristöparametrit, kuten suunnittelu, Rakennusfysiikka sekä altistuminen ja huolto, joilla on merkittävä vaikutus suorituskykyyn ja jotka vaihtelevat suuresti eri puolilla Eurooppaa (Kutnik et al., 2014).

puun lämpöominaisuudet kuvaavat puun käyttäytymistä lämpökuormituksessa lämpötilan noustessa tai laskiessa. Lämpötila on tärkeä parametri, joka vaikuttaa erilaisiin teknologisiin prosesseihin ja puun erityisominaisuuksiin. Rakennemateriaalien monista lämpöominaisuuksista tärkeimpiä ovat puuteknologian alalla ominaislämpö, lämmönjohtavuus ja lämpölaajeneminen (Czajkowski et al., 2016).

materiaalin ominaislämpö (ominaislämpökapasiteetti) määritellään lämpömääräksi materiaalin massayksikköä kohti, joka tarvitaan lämpötilan nostamiseen 1°C: lla, ja se kuvaa materiaalin kykyä kerryttää lämpöä. Katsotaan, että puun ominaislämpö on korkea; näin ollen samalla lämpömäärällä sen lämpötila nousee hitaammin kuin metallin tai lasin lämpötila. Puun ominaislämpö vaikuttaa sen eristysominaisuuksiin ja lämpökapasiteettiin (Czajkowski et al., 2016; Glass and Zelinka, 2010).

tietyn materiaalin Ominaislämmönjohtavuus on sen kyky johtaa lämpöä korkeamman lämpötilan paikoista alemman lämpötilan paikkoihin siirtämällä säteilyenergian virtaus viereisiin molekyyleihin. Tätä materiaalin ominaisuutta kuvataan lämmönjohtavuuskertoimen numeerisella arvolla ja mitä suurempi sen arvo on, sitä enemmän materiaalia johtaa lämpöä. Puun lämmönjohtavuus nousee kosteuspitoisuuden ja tiheyden kasvaessa. Se riippuu myös puun lämpötilasta ja lämpövirran suunnasta suhteessa viljan suuntaan. Jyvää pitkin mitattuna puun lämmönjohtavuuskerroin on kaksi kertaa suurempi kuin mitattuna jyvälle poikittaissuunnassa eli 0,35 ja 0,15 W / mK vastaavasti (Czajkowski et al., 2016; Glass ja Zelinka, 2010).

Lämpöhajoavuus on mittari sille, kuinka nopeasti materiaali pystyy absorboimaan lämpöä ympäristöstään. Se määritellään lämmönjohtavuuden suhteena tiheyden ja lämpökapasiteetin tuloon. Puun alhaisen lämmönjohtavuuden ja kohtalaisen tiheyden ja lämpökapasiteetin vuoksi puun lämpöhajoavuus on paljon pienempi kuin muiden rakennemateriaalien, kuten metallin, tiilen ja kiven (lasi ja Zelinka, 2010).

puun lämpölaajeneminen on ominaisuus, joka ilmenee lämpötilan noususta (lämmityksestä). Sille on ominaista lineaarinen ja volumetrinen laajenemiskerroin. Ensimmäinen on tietyn materiaalin pituuden pituuden suhde materiaalin lämpötilan nousua kohti sen alkuperäiseen pituuteen, kun taas toinen lasketaan analogisesti. Samalla pitkittäissuunnassa laskettu lineaarinen laajeneminen on paljon pienempi kuin säteittäiset tai tangentiaaliset. Matala Pitkittäinen laajenemiskerroin on talonrakenteissa käytetyn puun etu (lasi ja Zelinka, 2010).

puun akustiset ominaisuudet ovat ryhmä ominaisuuksia, jotka liittyvät ultraääniaaltojen kulkuun liittyvien ilmiöiden kulkuun ja niiden vaikutukseen puun muihin fysikaalisiin parametreihin. Puun anatomia mahdollistaa äänen kulkemisen jyvän suuntaisesti ja poikittain. Näin ollen kunkin puun ominaisuuden määrittäminen suoritetaan kolmessa anatomisessa tasossa (suunnassa) (Bucur, 2006). Puun ultraääniaaltonopeuteen vaikuttavat myös eri tekijät. Muutokset kasvurenkaassa, luonnolliset viat, kosteus ja lämpötila aiheuttavat akustisten ultraääniparametrien vaimenemisen. Nopeus pienenee esimerkiksi silloin, kun kosteuspitoisuus on säteittäisessä suunnassa suurempi kuin tangentiaalisessa suunnassa. Akustisiin ominaisuuksiin vaikuttaa myös materiaalin tiheys (Chen et al., 2012; Yang et al., 2015).