materiał higroskopijny

2.2.2.3 sorpcja i przepuszczalność wody

drewno jest materiałem higroskopijnym; może adsorbować i / lub desorbować wodę z otaczającego środowiska, dążąc do osiągnięcia stanu równowagi, gdy wilgotność względna atmosfery (Rh) jest stabilna. Dlatego Wilgotność (MC) drewna jest względną zawartością wody obecnej w tkance drzewnej, która wynika z naturalnego stanu (w żywym drzewie) lub jest wynikiem działania czynników atmosferycznych lub eksploatacyjnych, które wpływają na materiał przez dłuższy okres. Związek między wilgotnością równowagi a RH w stałej temperaturze jest znany jako izoterma sorpcji. Izoterma sorpcji jest cechą charakterystyczną materiału, ale zależy od temperatury i wcześniejszej historii sorpcji badanej próbki. W niestabilnych warunkach środowiskowych RH wilgotność drewna zmienia się w sposób ciągły, a równowaga jest rzadko osiągana (Popescu and Hill, 2013; Engelund et al., 2013).

w żywym drzewie wartości wilgotności różnią się między gatunkami drzew, w obrębie drzewa, na przykład między bielą a twardzielem; między porami roku; a być może także wraz z porą dnia. W przypadku drewna iglastego zawartość wilgoci w twardzielu jest zwykle znacznie niższa niż w przypadku bieli (Pallardy and Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013). Nie zawsze tak jest w przypadku drewna liściastego, dla którego zależność między zawartością wilgoci w twardzielu i bieli zależy od gatunku i może również zależeć od pory roku (Pallardy and Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013).

wspomniano, że woda w drewnie może być obecna w trzech różnych stanach (woda wolna, woda związana z zamarzaniem i woda związana z zamarzaniem; Nakamura et al., 1981; Berthold et al., 1996). Wolna woda jest uważana za wodę kapilarną w lumenach komórek, podczas gdy związana woda oddziałuje z mniej lub bardziej hydrofilowymi polimerami drzewnymi. Zakłada się, że zamarzająca woda jest umiarkowanie związana ze ścianą komórkową, podczas gdy niezamarzająca jest silnie związana z wodą.

biorąc pod uwagę, że grupy hydroksylowe polimerów drzewnych są głównymi miejscami sorpcji, przy niskiej zawartości wilgoci sugeruje się, że cząsteczki wody mogą wiązać się jednocześnie z dwiema sąsiednimi grupami hydroksylowymi (Joly i in., 1996) tworząc monowarstwę lub silnie związaną wodę z grupami polarnymi w obrębie ściany komórkowej. Odbywa się to przy wilgotności do ~ 4%. Ponadto adsorpcja polimolekularna odbywa się w zakresie wilgotności od ~ 4% do 12%, tworząc wielowarstwową lub słabo związaną wodę z podłożem lub w większych skupiskach wody. Zjawisko sorpcji kapilarnej obejmuje wilgotność drewna od 12% do ~ 30% (punkt nasycenia ściany komórkowej). Punkt nasycenia wilgocią jest osiągany przez drewno, gdy jest ono wystarczająco długo przechowywane w środowisku o maksymalnej zawartości procentowej RH i jest ilością niezależną od gatunku drewna.

Wilgotność jest zwykle wyrażana jako procent masy drewna. Dlatego przy tej samej zawartości wilgoci masa wody zawarta w drewnie jest inną wartością dla poszczególnych gatunków drewna. Drewno o wyższej gęstości zawiera więcej wody niż drewno o niższej gęstości przy tej samej zawartości wilgoci.

adsorpcji i desorpcji wody towarzyszą zmiany wymiarów liniowych drewna (odpowiednio pęcznienie i skurcz). Ze względu na anizotropową anatomię drewna, jego odkształcenia związane z zawartością wilgoci są różne dla kierunku wzdłużnego, promieniowego i stycznego. Największa zmiana wielkości odbywa się w kierunku rocznych pierścieni wzrostu (stycznie), mniej poprzecznie do pierścieni i niewiele w kierunku łodygi. Ponadto różne rodzaje drewna różnią się od siebie (Rowell, 2005; Hohn and Tauer, 2016).

chłonność drewna to zdolność drewna zanurzonego w wodzie (lub innych płynach) do jego wchłonięcia. Absorpcja jest definiowana przez trzy parametry, prędkość absorpcji, maksymalną pojemność wody i stopień (współczynnik) nasycenia. Ich wartości liczbowe zależą od gatunku drewna (jego gęstości i porowatości), strefy pnia (biel lub twardziel), początkowej zawartości wilgoci w tkance drzewnej, rodzaju cieczy, wielkości próbki i anatomicznego kierunku drewna.

przepuszczalność drewna to podatność materiału na nawilżenie i jego zdolność do przepuszczania przez niego cieczy. Właściwość ta jest ważna m.in. w procesach impregnacji (w konserwacji drewna) oraz w budownictwie. Głównymi czynnikami determinującymi podatność na przenikanie są anatomia drewna, Strefa przekroju pnia (Biel, twardziel), anatomiczny kierunek i ciśnienie cieczy.

przenikanie wody, gdy drewno jest wystawione na działanie wilgoci, i szybkość uwalniania, gdy drewno jest pozostawione do wyschnięcia, mają znaczący wpływ na określenie wydajności i oczekiwanej żywotności. Ponieważ przepuszczalność dla wody jest jednym z kluczowych czynników wpływających na wydajność elementu drewnianego, ponieważ kontroluje on możliwość rozpadu grzybów, oczekuje się, że gatunki drewna, które są mniej przepuszczalne dla wody, będą działać lepiej niż gatunki przepuszczalne w klasach użytkowania, w których drewno jest narażone na okresowe zwilżanie. Czas wilgoci jest również kluczowym czynnikiem rozwoju grzybów i ma na nią wpływ parametry środowiskowe, w tym projektowanie, fizyka budynku oraz ekspozycja i konserwacja, które mają niezwykły wpływ na wydajność i różnią się znacznie w całej Europie(Kutnik et al., 2014).

właściwości termiczne drewna charakteryzują zachowanie się drewna pod obciążeniem termicznym, gdy temperatura wzrasta lub spada. Temperatura jest ważnym parametrem, który wpływa na różne procesy technologiczne i specyficzne właściwości drewna. Wśród wielu właściwości termicznych materiałów konstrukcyjnych najważniejsze w sektorze technologii drewna są: ciepło właściwe, przewodność cieplna i rozszerzalność cieplna (Czajkowski et al., 2016).

ciepło właściwe (pojemność cieplna właściwa) materiału definiuje się jako ilość ciepła na jednostkę masy materiału wymaganą do podniesienia jego temperatury o 1°C i charakteryzuje materiał pod względem jego zdolności do gromadzenia ciepła. Uważa się, że ciepło właściwe drewna jest wysokie; dlatego przy takiej samej ilości dostarczanego ciepła jego temperatura wzrasta wolniej niż temperatury metalu lub szkła. Ciepło właściwe drewna wpływa na jego właściwości izolacyjne i pojemność cieplną (Czajkowski et al., 2016; szkło i Zelinka, 2010).

specyficzne przewodnictwo cieplne danego materiału to jego zdolność do przewodzenia ciepła z miejsc o wyższej temperaturze do miejsc o niższej temperaturze poprzez przepuszczanie przepływu energii promieniowania do sąsiednich cząsteczek. Ta właściwość materiału jest opisana przez wartość liczbową współczynnika przewodności cieplnej, a im wyższa jego wartość, tym więcej ciepła jest przewodzone przez materiał. Przewodność cieplna drewna wzrasta wraz ze wzrostem wilgotności i gęstości. Zależy to również od temperatury drewna i kierunku przepływu prądu cieplnego w stosunku do kierunku ziarna. Zmierzony wzdłuż ziarna współczynnik przewodności cieplnej drewna jest dwukrotnie wyższy niż zmierzony w kierunku poprzecznym do ziarna, czyli odpowiednio 0,35 i 0,15 W/mK (Czajkowski i in., 2016; Szkło i Zelinka, 2010).

dyfuzyjność cieplna jest miarą tego, jak szybko materiał może absorbować ciepło ze swojego otoczenia. Definiuje się ją jako stosunek przewodności cieplnej do produktu gęstości i pojemności cieplnej. Ze względu na niską przewodność cieplną oraz umiarkowaną gęstość i pojemność cieplną drewna dyfuzyjność termiczna drewna jest znacznie niższa niż w przypadku innych materiałów konstrukcyjnych, takich jak metal, cegła i kamień (szkło i Zelinka, 2010).

rozszerzalność cieplna drewna jest właściwością, która pojawia się ze względu na wzrost temperatury (ogrzewanie). Charakteryzuje się współczynnikiem rozszerzalności liniowej i objętościowej. Pierwsza z nich to relacja wydłużenia danej jednostki długości materiału na wzrost temperatury materiału do jego długości początkowej, natomiast druga obliczana jest analogicznie. Jednocześnie rozszerzalność liniowa obliczona na kierunku wzdłużnym jest znacznie mniejsza niż promieniowa lub styczna. Niski współczynnik rozszerzalności wzdłużnej jest zaletą drewna stosowanego w konstrukcjach budowlanych (szkło i Zelinka, 2010).

właściwości akustyczne drewna to grupa cech związanych z przebiegiem zjawisk towarzyszących przemieszczaniu się fal ultradźwiękowych i ich wpływem na inne parametry fizyczne drewna. Anatomia drewna pozwala dźwiękowi przemieszczać się w kierunkach równoległych i poprzecznych do ziarna. Stąd określenie każdej własności drewna odbywa się w trzech płaszczyznach anatomicznych (kierunkach) (Bucur, 2006). Na prędkość fali ultradźwiękowej w drewnie wpływają również różne czynniki. Zmiany w pierścieniu wzrostu, wady naturalne, wilgoć i temperatura spowodują tłumienie akustycznych parametrów ultradźwiękowych. Na przykład prędkość zmniejsza się, gdy zawartość wilgoci jest wyższa w kierunku promieniowym niż w kierunku stycznym. Na właściwości akustyczne wpływa również gęstość materiału (Chen et al., 2012; Yang et al., 2015).