Niewątpliwie książka dla każdego kto chciałby zgłębić więdze na temat naturalnego materiału, który towarzyszy człowiekowi od wieków, a którym jest oczywiście drewno. Zachęcamy do przeczytania, chociaż fragmentu książki, której autorem jest Pan Karol Kopeć. "Drewno. Właściwości i zastosowanie. Tom II"
⦁ Migracja wody w drewnie
Woda w drewnie porusza się w sposób swoisty. Nie jest to prosty proces i tak naprawdę można go wyjaśnić tylko w zawiły, naukowy sposób. Postaram się jednak uprościć i klarownie przedstawić zarys procesu migracji wody w drewnie. Jeżeli przekroimy próbkę drewna, to w różnych punktach tego przekroju będą różne poziomy wilgotności. Jednakowa wilgotność w całym przekroju to zjawisko mało spotykane. Zazwyczaj można to zaobserwować w próbkach całkowicie suchych lub małych próbkach umieszczonych na długi okres w klimatyzowanym i stałym klimacie.
W każdym innym przypadku, (czyli prawie zawsze) będą występować różnice w wilgotności wnętrza i powierzchni drewna. Zazwyczaj ruch wody w drewnie określany jest, jako zespół złożony ruchu kapilarnego i dyfuzyjnego. Drewno jest materiałem porowatym. W kawałku drewna jest wiele przestrzeni pustych, w tym są to przestrzenie widoczne gołym okiem (wnętrza naczyń, włókien i innych dużych komórek) oraz przestrzenie małe lub mikroskopijne. Pomiędzy łańcuchami mikrofibryli znajdują się wolne przestrzenie (podobnie, jak się spojrzy na paczkę z kilkunastu rurek PCV, widać pomiędzy rurkami przestrzenie o mniej więcej trójkątnym, romboidalnym lub prostokątnym przekroju). Te przestrzenie mają „średnicę” około 10 nm. W samych mikrofibrylach wygląda to podobnie, tylko „średnica” tych kapilar jest 10 razy mniejsza. Przestrzenie te wypełnia częściowo lignina oraz inne substancje pomocnicze (Tom I, strona 42). Jednakże są jeszcze mniejsze szczelinyw formie kapilar. Znajdziemy je w ścianach komórkowych.
Są tak małe, że trudno je zaobserwować. Zwykle2 mają „średnicę” około 10-6mm, czyli 10Å. W te kapilary wnika woda. Cząsteczka wody ma wymiar około 3,2Å, czyli 0,32 nm. Woda łączy się ze składnikami drewna poprzez mostki wodorowe. W pierwszej fazie (sorpcja monomolekularna: od 0% do 21,5%61) cząsteczki wody układają się na powierzchni kapilar w warstwę o grubości jednej cząsteczki. Później, w miarę zwiększania wilgotności (sorpcja polimolekularna – od 21,5% do 60%), następuje pokrycie powierzchni kapilar warstwą o grubości dwóch i więcej cząsteczek. Po przekroczeniu wilgotności drewna na poziomie 60% następuje kondensacja kapilarna, czyli wypełnianie całej przestrzeni kapilar wodą. Oczywiście w realnym świecie nic nie jest takie proste. W chwili, gdy zewnętrzne warstwy próbki osiągną fazę sorpcji polimolekularnej (22%), wnętrze może mieć dopiero 3% albo i mniej. I odwrotnie, przy suszeniu, zewnętrzne warstwy mogą już być całkiem suche, a we wnętrzu jeszcze będzie woda. Dzieje się tak, dlatego, że woda migruje przez drewno z dużym oporem. Podobnie jak w przypadku stadionu piłkarskiego. Nie da się stadionu napełnić kibicami w czasie mniejszym, niż jest to możliwe (np.3h). Identycznie, nie ma możliwości, żeby wszyscy kibice wyszli ze stadionu w jednej chwili. Najpierw wyjdą ci, co siedzą najbliżej wyjścia (szybko schnące powierzchnie drewna) a później siedzący dalej (wilgoć z wnętrza drewna). Ciekawą własnością drewna jest brak liniowego stosunku sumy objętości drewna i wchłoniętej wody na początku procesu pęcznienia. Tłumaczy się
to kompresją tkanki nawilżanej, co powoduje, że suma objętości drewna i wody wchłoniętej jest większa niż rzeczywista objętość spęczniałej próbki (jakby mniej spęczniała, niż powinna z wyliczeń teoretycznych). Przyciąganie się wzajemne cząsteczek celulozy i wody powoduje uwolnienie energii potencjalnej wiązań chemicznych, a to w efekcie skutkuje pojawieniem się ciśnienia pęcznienia. Ciśnienie pęcznienia w obszarach krystalicznych miceli, wywołane ruchem wody jest ogromne i wynosi3 nawet kilkaset MPa (kilka tysięcy atmosfer, a w oponie samochodu osobowego zwykle mamy ciśnienie 2,5 atm). Jednak maksymalne ciśnienie pęcznienia wynosi zaledwie (zaledwie?) 2,5 MPa. Dzieje się tak
na wskutek minimalizowania ciśnienia pęcznienia przez porowatą strukturę drewna. Część spęcznienia objętościowego wypełnia pustki we wnętrzu drewna. Tak mniej więcej wygląda bardzo pobieżne ujęcie tematu migracji wody w drewnie.
W rzeczywistości proces jest bardziej zawikłany. Po pierwsze, poziom wilgotności wpływa na właściwości mechaniczne drewna. O tym napisałem już częściowo w tomie pierwszym. Wykorzystujemy drewno o wilgotności wielokrotnie niższej
od wilgotności drewna w czasie wzrostu drzewa. Wilgotność względna drewna w drzewie rosnącym może osiągać 200% i więcej. W praktyce stolarskiej oscylujemy w granicach
8-12%. W związku z tym przebieg migracji wilgoci jest zasadniczo inny niż w drewnie drzewa rosnącego. Wiele osób4 próbowało opisać dokładnie schemat procesu przemieszczania się wody w drewnie (określane mianem ruchu wody). Woda przemieszcza się w drewnie dwutorowo, wskutek ruchu kapilarnego oraz sił dyfuzji. Ruch kapilarny powstaje na skutek sił przemieszczających wodę w kapilarach, a tych jak wiemy, w drewnie jest cała masa. Dyfuzja to ruch wody związanej oraz pary wodnej w drewnie. Procesy dyfuzyjne powodują koncentrację wilgoci w drewnie lub objawiają się gradientem potencjału4. Istnieje teoria, iż współczynnik dyfuzji wody w drewnie zależy od gatunku drewna i jest stały dla danego gatunku drewna5. Są jednak badania, według których, współczynnik dyfuzji jest zmienny4 i zależy od wilgotności początkowej drewna, rozmiarów próbek, temperatury drewna i wody (pary wodnej) oraz od kierunku migracji wody
w zależności od kierunku anatomicznego drewna. Prawdopodobną przyczyną różnic w określeniu współczynnika dyfuzji jest brak ujednolicenia metodyki badań, a każde odstępstwo w założeniach może wpływać znacząco na wynik. Procesy dyfuzji i ruchu kapilarnego mają także miejsce przy schnięciu drewna. Najnowsze badania opisują ruch wodzy
w drewnie, jako różnice potencjału wody. Gradient potencjałów jest motorem napędowym ruchu wody, bo jak wiadomo, drewno dąży do wyrównania wilgotności na całym przekroju próbki. Migracja wody w drewnie podczas adsorpcji, oprócz pęcznienia wywołuje jeszcze powstanie ciepła pęcznienia. To w połączeniu z teorią gradientu pozwala na dalsze tworzenie nowych i ciekawych teorii. W tej chwili badacze4 opierają się na prawach termodynamiki i procesy migracji wody w drewnie tłumaczą przemianą fazową przy różnicach fazowych oraz ruchem konwekcyjnym przy stałej fazie potencjału. To jest już wyższa matematyka, wykraczająca znacznie poza ramy niniejszej książki. Drewno nie jest jedynym materiałem higroskopijnym. Mało kto zdaje sobie sprawę, że podobne procesy zachodzą np. w żywności1. Zawarte w produktach spożywczych białka i węglowodany posiadają grupy polarne, wiążące wodę podobnie jak to robi celuloza w drewnie. Badania migracji wody w produktach spożywczych opierają się na teorii potencjału chemicznego wody, czyli podobnie jak to się ma w przypadku drewna. Nawet wykres sorpcji wody w produktach spożywczych jest bliźniaczo podobny do wykresów właściwych dla drewna1. Na poniższym wykresie widzimy zależność wilgotności względnej powietrza aw do wilgotności produktu Me. Aw nazywana jest niekiedy „aktywnością wody”, czyli stosunkiem prężności pary wodnej zawartej w produkcie do prężności pary wodnej nasyconej w danych warunkach, czyli innymi słowy mówiąc, jest
to wilgotność względna powietrza. Me jest procentowym określeniem ilości wody w produkcie w odniesieniu do suchej masy produktu, czyli jest to wilgotność bezwzględna.
Jak widać, pomimo innego nazewnictwa same procesy są identyczne. Należy zwrócić uwagę na fakt podobnego, fazowego przebiegu procesu nawilżania, czyli sorpcji monomolekularnej (monowarstwowej), polimolekularnej (wielowarstwowej) oraz kondensacji kapilarnej. Jak widać z powyższych rozważań, nie tylko stolarze mają problem ze zmianami wilgotności materiału, na jakim pracują.
Izoterma sorpcji wody w produktach spożywczych. Sorpcja monowarstwowa(A), sorpcja wielowarstwowa(B), kondensacja kapilarna(C). Rys. S. Furmaniak1.
Literatura:
⦁ „Sorpcja wody przez produkty żywnościowe”
S. Furmaniak, „LAB Laboratoria, Aparatura, Badania”- 2013
⦁ .”Klimat a drewno zabytkowe” P.Kozakiewicz, M.Matejak Warszawa 2000
⦁ .”Badania nad ciśnieniem pęcznienia drewna”
prof. T. Perkitny Warszawa 1951
⦁ .”Modelowanie i analiza odkształceń drewna nawilżanego w zakresie higroskopijnym w różnych stanach naprężeń” prof. M. Kowal Zielona Góra 2001
⦁ .”Modelowanie procesów suszenia drewna” G. Bernatowicz, Warszawa 1996