Das Holz lebender Bäume und frischer Stämme enthält eine große Menge Wasser, die oft über 50% des Holzgewichts ausmacht. Wasser hat einen wesentlichen Einfluss auf Holz. Holz tauscht ständig Feuchtigkeit oder Wasser mit seiner Umgebung aus, obwohl die Austauschrate stark vom Grad der Versiegelung des Holzes abhängt.

Holz enthält Wasser in drei Formen:

Freies Wasser Der Großteil des in der Zelle lumina enthaltenen Wassers wird nur durch Kapillarkräfte gehalten. Es ist chemisch nicht gebunden und wird freies Wasser genannt. Freies Wasser befindet sich nicht im gleichen thermodynamischen Zustand wie flüssiges Wasser: Energie wird benötigt, um die Kapillarkräfte zu überwinden. Darüber hinaus kann freies Wasser Chemikalien enthalten, die die Trocknungseigenschaften von Holz verändern. Gebundenes oder hygroskopisches Wasser Gebundenes Wasser wird über Wasserstoffbrücken an das Holz gebunden. Die Anziehungskraft von Holz für Wasser ergibt sich aus der Anwesenheit von freien Hydroxylgruppen (OH) in der Cellulose, Hemicellulosen und Ligninmolekülen in der Zellwand. Die Hydroxylgruppen sind negativ geladen. Da Wasser eine polare Flüssigkeit ist, ziehen die freien Hydroxylgruppen in Cellulose Wasser an und halten es durch Wasserstoffbindung. Dampf Wasser in der Zelle lumina in Form von Wasserdampf ist normalerweise vernachlässigbar bei normaler Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

Feuchtigkeitsgehaltbearbeiten

Der Feuchtigkeitsgehalt von Holz wird als Massenänderung als Anteil der Trockenmasse nach der Formel berechnet (Siau, 1984):

Feuchtigkeitsgehalt = m g − m od m od × 100 % {\displaystyle {\text{Feuchtigkeitsgehalt}}={\frac {m_{\text{g}}-m_{\text{od}}}{m_{\text{od}}}}\times 100\%}

Hier ist m g {\displaystyle m_{\text{g}}}

die grüne Masse des Holzes, m od {\displaystyle m_{\text{od}}}

ist seine Ofentrockenmasse (das Erreichen konstanter masse im Allgemeinen nach dem Trocknen in einem Ofen für 24 Stunden auf 103 ± 2 ° C (218 ± 4 ° F) eingestellt, wie von Walker et al., 1993). Die Gleichung kann auch als Bruchteil der Masse des Wassers und der Masse des ofentrockenen Holzes und nicht als Prozentsatz ausgedrückt werden. Beispielsweise drückt 0,59 kg/kg (ofentrockene Basis) den gleichen Feuchtigkeitsgehalt aus wie 59% (ofentrockene Basis).

Fasersättigungspunktedit

Diese IPPC-Markierungen auf einer Holzpalette zeigen KD: ofengetrocknet, HT: wärmebehandelt und DB: entrindet. Grundsätzlich muss jedes Holzverpackungsmaterial, das in einen IVU-Mitgliedstaat exportiert wird, einen solchen Stempel tragen.

Wenn grünes Holz trocknet, ist freies Wasser aus der Zelle lumina, das nur von den Kapillarkräften gehalten wird, das erste, das geht. Physikalische Eigenschaften wie Festigkeit und Schrumpfung werden im Allgemeinen nicht durch die Entfernung von freiem Wasser beeinflusst. Der Fasersättigungspunkt (FSP) ist definiert als der Feuchtigkeitsgehalt, bei dem freies Wasser vollständig verschwunden sein sollte, während die Zellwände mit gebundenem Wasser gesättigt sind. In den meisten Holzarten liegt der Fasersättigungspunkt bei 25 bis 30% Feuchtigkeitsgehalt. Siau (1984) berichtete, dass der Fasersättigungspunkt X fsp {\displaystyle X_{\text{fsp}}}

(kg/kg) nach folgender Gleichung von der Temperatur T (°C) abhängig ist: X fsp = 0,30 − 0,001 (T − 20 ) {\displaystyle X_{\ \text{fsp}}=0,30-0,001(T-20)\;}

(1.2)

Keey et al. (2000) verwenden eine andere Definition des Fasersättigungspunkts (Gleichgewichtsfeuchte von Holz in einer Umgebung von 99% relativer Luftfeuchtigkeit).

Viele Eigenschaften von Holz zeigen erhebliche Veränderungen, wenn das Holz unterhalb des Fasersättigungspunkts getrocknet wird, einschließlich:

1. Volumen (idealerweise tritt keine Schrumpfung auf, bis etwas gebundenes Wasser verloren geht, dh bis das Holz unter FSP getrocknet ist);
2. Festigkeit (die Festigkeiten nehmen im Allgemeinen konstant zu, wenn das Holz unter dem FSP getrocknet wird (Desch und Dinwoodie, 1996), mit Ausnahme der Schlagbiegefestigkeit und in einigen Fällen der Zähigkeit);
3. elektrischer Widerstand, der mit dem Verlust von gebundenem Wasser sehr schnell ansteigt, wenn das Holz unterhalb des FSP trocknet.

Gleichgewichtsfeuchtegehaltbearbeiten

Holz ist eine hygroskopische Substanz. Es hat die Fähigkeit, Feuchtigkeit in Form von Dampf aufzunehmen oder abzugeben. Im Holz enthaltenes Wasser übt einen eigenen Dampfdruck aus, der durch die maximale Größe der jederzeit mit Wasser gefüllten Kapillaren bestimmt wird. Wenn der Wasserdampfdruck im Umgebungsraum niedriger ist als der Dampfdruck im Holz, findet eine Desorption statt. Die größten Kapillaren, die zu diesem Zeitpunkt voller Wasser sind, leeren sich zuerst. Der Dampfdruck innerhalb des Holzes sinkt, da Wasser sukzessive in kleineren Kapillaren enthalten ist. Eine Stufe wird schließlich erreicht, wenn der Dampfdruck innerhalb des Holzes dem Dampfdruck im Umgebungsraum über dem Holz entspricht und die weitere Desorption aufhört. Die Menge an Feuchtigkeit, die in diesem Stadium im Holz verbleibt, steht im Gleichgewicht mit dem Wasserdampfdruck im Umgebungsraum und wird als Gleichgewichtsfeuchte oder EMC (Siau, 1984) bezeichnet. Aufgrund seiner Hygroskopizität neigt Holz dazu, einen Feuchtigkeitsgehalt zu erreichen, der im Gleichgewicht mit der relativen Luftfeuchtigkeit und Temperatur der Umgebungsluft steht.

Die EMV von Holz variiert mit der relativen Umgebungsfeuchte (eine Funktion der Temperatur) erheblich, in geringerem Maße mit der Temperatur. Siau (1984) berichtete, dass die EMV auch sehr geringfügig mit der Art, der mechanischen Belastung, der Trocknungsgeschichte des Holzes, der Dichte, dem Extraktivstoffgehalt und der Sorptionsrichtung variiert, in der die Feuchtigkeitsänderung stattfindet (d. H. Adsorption oder Desorption).

Feuchtigkeitsgehalt von Holz im Betriebbearbeiten

Holz behält seine hygroskopischen Eigenschaften nach der Inbetriebnahme bei. Es ist dann einer schwankenden Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, dem dominierenden Faktor bei der Bestimmung seiner Temperatur. Diese Schwankungen können mehr oder weniger zyklisch sein, wie z. B. tägliche Änderungen oder jährliche saisonale Änderungen.

Um die Änderungen des Holzfeuchtegehalts oder die Bewegung von Holzobjekten im Betrieb zu minimieren, wird Holz normalerweise auf einen Feuchtigkeitsgehalt getrocknet, der nahe an den durchschnittlichen EMV-Bedingungen liegt, denen es ausgesetzt ist. Diese Bedingungen variieren für Innenanwendungen im Vergleich zu Außenanwendungen an einem bestimmten geografischen Standort. Beispielsweise wird gemäß dem australischen Standard für Holztrocknungsqualität (AS / NZS 4787, 2001) empfohlen, dass die EMV für die Mehrheit der australischen Bundesstaaten 10-12% beträgt, obwohl extreme Fälle für einige Orte in Queensland, Northern Territory, Western Australia und Tasmanien bis zu 15 bis 18% betragen. In trockenen, zentral beheizten Häusern und Büros oder in permanent klimatisierten Gebäuden liegt die EMV jedoch nur bei 6 bis 7%.

Schwindung und Quellungbearbeiten

Schwindung und Quellung können bei Holz auftreten, wenn der Feuchtigkeitsgehalt verändert wird (Stamm, 1964). Schrumpfung tritt auf, wenn der Feuchtigkeitsgehalt abnimmt, während Schwellung stattfindet, wenn es zunimmt. Die Volumenänderung ist nicht in alle Richtungen gleich. Die größte Dimensionsänderung tritt in einer Richtung tangential zu den Wachstumsringen auf. Die Schrumpfung vom Mark nach außen oder radial ist normalerweise erheblich geringer als die tangentiale Schrumpfung, während die Längsschrumpfung (entlang des Korns) so gering ist, dass sie normalerweise vernachlässigt wird. Die Längsschrumpfung beträgt 0,1% bis 0,3%, im Gegensatz zu Querschrumpfungen, die 2% bis 10% betragen. Die tangentiale Schrumpfung ist oft etwa doppelt so groß wie in radialer Richtung, obwohl sie bei einigen Arten bis zu fünfmal so groß ist. Die Schrumpfung beträgt etwa 5% bis 10% in tangentialer Richtung und etwa 2% bis 6% in radialer Richtung (Walker et al., 1993).

Die differentielle Querschrumpfung von Holz hängt zusammen mit:

1. dem Wechsel von Spätholz- und Frühholzinkrementen innerhalb des Jahresrings;
2. der Einfluss von Holzstrahlen auf die radiale Richtung (Kollmann und Cote, 1968);
3. die Merkmale der Zellwandstruktur wie Mikrofibrillenwinkelmodifikationen und Gruben;
4. die chemische Zusammensetzung der mittleren Lamelle.

Holztrocknung kann als die Kunst beschrieben werden, sicherzustellen, dass grobe Dimensionsänderungen durch Schrumpfung auf den Trocknungsprozess beschränkt sind. Im Idealfall wird Holz auf den Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt getrocknet, wie er später (im Betrieb) vom Holz erreicht wird. Somit wird eine weitere Dimensionsänderung auf ein Minimum reduziert.

Es ist wahrscheinlich unmöglich, die Dimensionsänderung von Holz vollständig zu eliminieren, aber die Beseitigung der Größenänderung kann durch chemische Modifikation angenähert werden. Beispielsweise kann Holz mit Chemikalien behandelt werden, um die Hydroxylgruppen durch andere hydrophobe funktionelle Gruppen von Modifizierungsmitteln zu ersetzen (Stamm, 1964). Unter allen bestehenden Verfahren ist die Holzmodifizierung mit Acetanhydrid für die hohe Schrumpf- oder Quellschutzeffizienz (ASE) bekannt, die ohne Schädigung des Holzes erreicht werden kann. Die Acetylierung von Holz wurde jedoch aufgrund der Kosten, der Korrosion und des Einschlusses der Essigsäure in Holz nur langsam kommerzialisiert. Es gibt einen umfangreichen Literaturband zur chemischen Modifikation von Holz (Rowell, 1983, 1991; Kumar, 1994; Haque, 1997).

Die Trocknung von Holz ist eine Methode zur Wertschöpfung von Sägeprodukten aus der primärholzverarbeitenden Industrie. Laut der Australian Forest and Wood Products Research and Development Corporation (FWPRDC) steigt der Wert von grünem Schnittholz, das für etwa 350 US-Dollar pro Kubikmeter oder weniger verkauft wird, durch Trocknen und Verarbeiten auf 2.000 US-Dollar pro Kubikmeter oder mehr. Derzeit verwendete konventionelle Trocknungsverfahren führen jedoch häufig zu erheblichen Qualitätsproblemen durch Risse, sowohl extern als auch intern, was den Wert des Produkts verringert. In Queensland (Anon, 1997) beispielsweise verlieren Sägemühlen unter der Annahme, dass 10% des getrockneten Nadelholzes aufgrund von Trocknungsfehlern um 200 USD pro Kubikmeter abgewertet werden, etwa 5 Millionen USD pro Jahr. In Australien könnte der Verlust bei Nadelholz 40 Millionen US-Dollar pro Jahr und bei Hartholz einen gleichen oder höheren Betrag betragen. Daher ist eine ordnungsgemäße Trocknung unter kontrollierten Bedingungen vor der Verwendung bei der Holzverwendung in Ländern, in denen die klimatischen Bedingungen zu verschiedenen Jahreszeiten erheblich variieren, von großer Bedeutung.

Die Trocknung, wenn sie unmittelbar nach dem Fällen der Bäume durchgeführt wird, schützt das Holz auch vor primärem Verfall, Pilzbeflecken und dem Befall durch bestimmte Arten von Insekten. Organismen, die Fäulnis und Flecken verursachen, können in Holz mit einem Feuchtigkeitsgehalt unter 20% im Allgemeinen nicht gedeihen. Mehrere, wenn auch nicht alle, Insektenschädlinge können nur in grünem Holz leben.

Neben den oben genannten Vorteilen der Holztrocknung sind auch die folgenden Punkte von Bedeutung (Walker et al., 1993; Desch und Dinwoodie, 1996):

1. Getrocknetes Holz ist leichter und die Transport- und Bearbeitungskosten werden reduziert.
2. Getrocknetes Holz ist in den meisten Festigkeitseigenschaften stärker als grünes Holz.
3. Hölzer für die Imprägnierung mit Konservierungsmitteln müssen ordnungsgemäß getrocknet werden, wenn eine ordnungsgemäße Penetration erreicht werden soll, insbesondere bei Konservierungsmitteln vom Öltyp.
4. Im Bereich der chemischen Modifikation von Holz und Holzprodukten sollte das Material auf einen bestimmten Feuchtigkeitsgehalt getrocknet werden, damit die entsprechenden Reaktionen auftreten können.
5. Trockenes Holz funktioniert im Allgemeinen, Maschinen, Oberflächen und klebt besser als grünes Holz (obwohl es Ausnahmen gibt; zum Beispiel ist grünes Holz oft leichter zu drehen als trockenes Holz). Farben und Oberflächen halten auf trockenem Holz länger.
6. Die elektrischen und thermischen Isolationseigenschaften von Holz werden durch Trocknung verbessert.

Die sofortige Trocknung des Holzes unmittelbar nach dem Fällen wertet das Rohholz daher erheblich auf und schafft einen Mehrwert. Die Trocknung ermöglicht eine erhebliche langfristige Wirtschaftlichkeit durch Rationalisierung der Nutzung von Holzressourcen. Die Trocknung von Holz ist somit ein Forschungs- und Entwicklungsbereich, der viele Forscher und Holzunternehmen auf der ganzen Welt beschäftigt.

Mechanismen der Feuchtigkeitsbewegungbearbeiten

Wasser in Holz bewegt sich normalerweise von Zonen mit höherem zu Zonen mit niedrigerem Feuchtigkeitsgehalt (Walker et al., 1993). Die Trocknung beginnt an der Außenseite des Holzes und bewegt sich in Richtung der Mitte, und die Trocknung an der Außenseite ist auch notwendig, um Feuchtigkeit aus den inneren Zonen des Holzes zu vertreiben. Holz erreicht anschließend ein Gleichgewicht mit der Umgebungsluft im Feuchtigkeitsgehalt.

Moisture passagewaysEdit

Die treibende Kraft der Feuchtigkeitsbewegung ist das chemische Potential. Es ist jedoch nicht immer einfach, das chemische Potenzial von Holz mit allgemein beobachtbaren Variablen wie Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt in Beziehung zu setzen (Keey et al., 2000). Feuchtigkeit in Holz bewegt sich innerhalb des Holzes als Flüssigkeit oder Dampf durch verschiedene Arten von Durchgängen, basierend auf der Art der treibenden Kraft (z. B. Druck oder Feuchtigkeitsgradient) und Variationen in der Holzstruktur (Langrish und Walker, 1993), wie im nächsten Abschnitt über treibende Kräfte für die Feuchtigkeitsbewegung erläutert. Diese Wege bestehen aus Hohlräumen der Gefäße, Fasern, Strahlenzellen, Pit-Kammern und deren Pit-Membranöffnungen, Interzellularräumen und transitorischen Zellwanddurchgängen.

Die Bewegung des Wassers erfolgt in diesen Durchgängen in jede Richtung, in Längsrichtung in den Zellen sowie seitlich von Zelle zu Zelle, bis es die seitlichen Trocknungsflächen des Holzes erreicht. Die höhere Längsdurchlässigkeit von Splintholz von Hartholz wird im Allgemeinen durch das Vorhandensein von Gefäßen verursacht. Die laterale Permeabilität und Querströmung ist bei Laubhölzern oft sehr gering. Die Gefäße in Harthölzern werden manchmal durch das Vorhandensein von Tylosen und / oder durch die Sekretion von Zahnfleisch und Harzen bei einigen anderen Arten blockiert, wie bereits erwähnt. Das Vorhandensein von Zahnfleischvenen, deren Bildung häufig auf eine natürliche Schutzreaktion von Bäumen auf Verletzungen zurückzuführen ist, wird häufig auf der Oberfläche von gesägten Brettern der meisten Eukalyptusbäume beobachtet. Trotz des im Allgemeinen höheren Volumenanteils der Strahlen in Harthölzern (typischerweise 15% des Holzvolumens) sind die Strahlen im radialen Fluss nicht besonders wirksam, und die Gruben an den radialen Oberflächen der Fasern sind im tangentialen Fluss nicht wirksam (Langrish und Walker, 1993).

Moisture movement spaceEdit

Der verfügbare Raum für Luft und Feuchtigkeit im Holz hängt von der Dichte und Porosität des Holzes ab. Porosität ist der Volumenanteil des Hohlraums in einem Feststoff. Die Porosität wird mit 1,2 bis 4,6% des Trockenvolumens der Holzzellwand angegeben (Siau, 1984). Andererseits ist die Permeabilität ein Maß für die Leichtigkeit, mit der Flüssigkeiten unter dem Einfluss einiger Antriebskräfte, z. B. Kapillardruckgradient oder Feuchtigkeitsgradient, durch einen porösen Feststoff transportiert werden. Es ist klar, dass Feststoffe porös sein müssen, um durchlässig zu sein, aber es folgt nicht notwendigerweise, dass alle porösen Körper durchlässig sind. Durchlässigkeit kann nur bestehen, wenn die Hohlräume durch Öffnungen miteinander verbunden sind. Zum Beispiel kann ein Hartholz durchlässig sein, weil es ein Lochfraß mit Öffnungen in den Membranen gibt (Keey et al., 2000). Wenn diese Membranen verstopft oder verkrustet sind oder wenn die Gruben abgesaugt werden, nimmt das Holz eine geschlossenzellige Struktur an und kann praktisch undurchlässig sein. Die Dichte ist auch für undurchlässige Harthölzer wichtig, da pro Distanzeinheit mehr Zellwandmaterial durchlaufen wird, was eine erhöhte Diffusionsbeständigkeit bietet (Keey et al., 2000). Daher trocknen leichtere Hölzer im Allgemeinen schneller als die schwereren Hölzer. Der Transport von Flüssigkeiten ist bei durchlässigen Weichhölzern bei hoher Temperatur häufig ein Massenstrom (Impulsübertragung), während bei undurchlässigen Harthölzern eine Diffusion auftritt (Siau, 1984). Diese Mechanismen werden im Folgenden diskutiert.

Treibende Kräfte für die Feuchtigkeitsbewegungbearbeiten

Drei Hauptantriebskräfte, die in verschiedenen Versionen von Diffusionsmodellen verwendet werden, sind der Feuchtigkeitsgehalt, der Partialdruck von Wasserdampf und das chemische Potential (Skaar, 1988; Keey et al., 2000). Diese werden hier diskutiert, einschließlich der Kapillarwirkung, die ein Mechanismus für den freien Wassertransport in durchlässigen Nadelhölzern ist. Die Gesamtdruckdifferenz ist die treibende Kraft bei der Holzvakuumtrocknung.

Kapillarwirkung

Kapillarkräfte bestimmen die Bewegungen (oder das Fehlen von Bewegung) von freiem Wasser. Es ist sowohl auf Adhäsion als auch auf Kohäsion zurückzuführen. Adhäsion ist die Anziehung zwischen Wasser zu anderen Substanzen und Kohäsion ist die Anziehung der Moleküle in Wasser zueinander.

Wenn Holz trocknet, erzeugt die Verdunstung von Wasser von der Oberfläche Kapillarkräfte, die einen Zug auf das freie Wasser in den Holzzonen unter den Oberflächen ausüben. Wenn kein freies Wasser mehr im Holz vorhanden ist, spielen Kapillarkräfte keine Rolle mehr.

Feuchtigkeitsunterschiedebearbeiten

Das chemische Potential wird hier erklärt, da es die wahre treibende Kraft für den Transport von Wasser sowohl in flüssiger als auch in dampfförmiger Phase in Holz ist (Siau, 1984). Die freie Gibbs-Energie pro Mol Substanz wird üblicherweise als chemisches Potential ausgedrückt (Skaar, 1933). Das chemische Potential von ungesättigter Luft oder Holz unterhalb des Fasersättigungspunktes beeinflusst die Trocknung von Holz. Das Gleichgewicht tritt beim Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt (wie zuvor definiert) des Holzes auf, wenn das chemische Potenzial des Holzes dem der Umgebungsluft entspricht. Das chemische Potential von sorbiertem Wasser ist eine Funktion des Holzfeuchtegehalts. Daher geht ein Gradient des Holzfeuchtigkeitsgehalts (zwischen Oberfläche und Zentrum) oder genauer gesagt der Aktivität mit einem Gradienten des chemischen Potentials unter isothermen Bedingungen einher. Feuchtigkeit verteilt sich im gesamten Holz neu, bis das chemische Potential gleichmäßig ist, was zu einem Nullpotentialgradienten im Gleichgewicht führt (Skaar, 1988). Es wird angenommen, dass der Feuchtigkeitsfluss, der versucht, den Gleichgewichtszustand zu erreichen, proportional zur Differenz des chemischen Potentials und umgekehrt proportional zur Weglänge ist, über die die Potentialdifferenz wirkt (Keey et al., 2000).

Der Gradient des chemischen Potentials hängt mit dem Feuchtigkeitsgradienten zusammen, wie in den obigen Gleichungen erläutert (Keey et al., 2000). Das Diffusionsmodell mit Feuchtigkeitsgradienten als treibende Kraft wurde erfolgreich von Wu (1989) und Doe et al. (1994). Obwohl die Übereinstimmung zwischen den Feuchtegehaltsprofilen, die durch das Diffusionsmodell auf der Grundlage von Feuchtigkeitsgradienten vorhergesagt werden, bei niedrigeren Feuchtigkeitsgehalten besser ist als bei höheren, gibt es keine Hinweise darauf, dass es bei höheren Feuchtigkeitsgehalten für dieses Holz signifikant unterschiedliche Feuchtigkeitstransportmechanismen gibt. Ihre Beobachtungen stimmen mit einem Transportprozess überein, der von der Gesamtkonzentration von Wasser angetrieben wird. Das Diffusionsmodell wird für diese Arbeit verwendet, basierend auf diesem empirischen Nachweis, dass der Feuchtigkeitsgradient eine treibende Kraft für die Trocknung dieser Art von undurchlässigem Holz ist.

Unterschiede im Feuchtigkeitsgehalt zwischen der Oberfläche und dem Zentrum (Gradient, die chemische Potentialdifferenz zwischen Grenzfläche und Masse) bewegen das gebundene Wasser durch Diffusion durch die kleinen Durchgänge in der Zellwand. Im Vergleich zur Kapillarbewegung ist die Diffusion ein langsamer Prozess. Diffusion ist der allgemein vorgeschlagene Mechanismus für die Trocknung von undurchlässigen Harthölzern (Keey et al., 2000). Darüber hinaus wandert Feuchtigkeit langsam ab, da Extrakte die kleinen Zellwandöffnungen im Kernholz verstopfen. Aus diesem Grund trocknet Splintholz unter den gleichen Trocknungsbedingungen im Allgemeinen schneller als Kernholz.

Feuchtigkeitsbewegungsrichtungen für die Diffusionbearbeiten

Es wird berichtet, dass das Verhältnis der longitudinalen zu den transversalen (radialen und tangentialen) Diffusionsraten für Holz von etwa 100 bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 5% bis 2-4 bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 25% reicht (Langrish und Walker, 1993). Radiale Diffusion ist etwas schneller als tangentiale Diffusion. Obwohl die Längsdiffusion am schnellsten ist, ist sie nur dann von praktischer Bedeutung, wenn kurze Stücke getrocknet werden. Im Allgemeinen sind die Holzplatten viel länger als in der Breite oder Dicke. Zum Beispiel war eine typische Größe eines grünen Brettes, das für diese Forschung verwendet wurde, 6 m lang, 250 mm breit und 43 mm dick. Wenn die Bretter Viertelsäge sind, dann wird die Breite in radialer Richtung sein, während die Dicke in tangentialer Richtung sein wird, und umgekehrt für glatt gesägte Bretter. Der größte Teil der Feuchtigkeit wird während des Trocknens durch seitliche Bewegung aus dem Holz entfernt.

Gründe für Risse und Risse bei der Holztrocknung und deren Kontrolledit

Die Hauptschwierigkeit beim Trocknen von Holz ist die Tendenz seiner äußeren Schichten, schneller auszutrocknen als die inneren. Lässt man diese Schichten weit unterhalb des Fasersättigungspunktes trocknen, während das Innere noch gesättigt ist, entstehen Spannungen (sogenannte Trocknungsspannungen), da die Schrumpfung der äußeren Schichten durch das nasse Innere begrenzt wird (Keey et al., 2000). Bruch in den Holzgeweben tritt auf, und folglich treten Spaltungen und Risse auf, wenn diese Spannungen über die Maserung die Festigkeit über die Maserung überschreiten (Faser-Faser-Bindung).

Die erfolgreiche Kontrolle von Trocknungsfehlern in einem Trocknungsprozess besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen der Verdampfungsrate von Feuchtigkeit von der Oberfläche und der Geschwindigkeit der Bewegung von Feuchtigkeit aus dem Inneren des Holzes nach außen aufrechtzuerhalten. Es wird nun erläutert, wie die Trocknung gesteuert werden kann. Eine der erfolgreichsten Methoden zum Trocknen oder Würzen von Holz ist das Trocknen im Ofen, bei dem das Holz stapelweise in ein Ofenfach gegeben und durch Dämpfen getrocknet wird und der Dampf langsam freigesetzt wird.

Einfluss von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Luftzirkulationsrate

Die äußeren Trocknungsbedingungen (Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit) steuern die äußeren Randbedingungen für die Trocknung und damit die Trocknungsrate sowie die Geschwindigkeit der inneren Feuchtigkeitsbewegung. Die Trocknungsrate wird durch externe Trocknungsbedingungen beeinflusst (Walker et al., 1993; In: Keey et al. 2000), wie nun beschrieben wird.

Temperatur Wenn die relative Luftfeuchtigkeit konstant gehalten wird, ist die Trocknungsrate umso höher, je höher die Temperatur ist. Die Temperatur beeinflusst die Trocknungsrate, indem sie die Feuchtigkeitsspeicherfähigkeit der Luft erhöht und die Diffusionsrate der Feuchtigkeit durch das Holz beschleunigt.

Die tatsächliche Temperatur in einem Trockenofen ist die Trockenkolbentemperatur (üblicherweise mit Tg bezeichnet), d. h. die Temperatur eines Dampf-Gas-Gemisches, die durch Einsetzen eines Thermometers mit Trockenkolben bestimmt wird. Andererseits ist die Feuchtkugeltemperatur (TW) definiert als die Temperatur, die erreicht wird, wenn eine kleine Menge Flüssigkeit in einer großen Menge eines ungesättigten Luft-Dampf-Gemisches verdampft. Das Temperaturfühlelement dieses Thermometers wird mit einer porösen Gewebehülse (Tuch) feucht gehalten, die normalerweise in ein Reservoir mit sauberem Wasser gegeben wird. Ein minimaler Luftstrom von 2 m / s ist erforderlich, um eine Zone stagnierender feuchter Luft um die Hülse herum zu verhindern (Walker et al., 1993). Da Luft über die nasse Hülse strömt, verdampft Wasser und kühlt das Feuchtkugelthermometer. Der Unterschied zwischen der Trockenkolben- und der Feuchtkugeltemperatur, die Feuchtkugeldepression, wird verwendet, um die relative Luftfeuchtigkeit aus einer standardhygrometrischen Tabelle zu bestimmen (Walker et al., 1993). Ein höherer Unterschied zwischen der Trockenkolben- und der Feuchtkugeltemperatur zeigt eine niedrigere relative Luftfeuchtigkeit an. Wenn beispielsweise die Trockenkolbentemperatur 100 ° C und die Feuchtkugeltemperatur 60 ° C beträgt, wird die relative Luftfeuchtigkeit als 17% aus einem hygrometrischen Diagramm abgelesen. Relative Luftfeuchtigkeit Die relative Luftfeuchtigkeit ist definiert als der Partialdruck von Wasserdampf geteilt durch den gesättigten Dampfdruck bei gleicher Temperatur und Gesamtdruck (Siau, 1984). Wenn die Temperatur konstant gehalten wird, führen niedrigere relative Luftfeuchten aufgrund des erhöhten Feuchtigkeitsgradienten im Holz zu höheren Trocknungsraten, die sich aus der Verringerung des Feuchtigkeitsgehalts in den Oberflächenschichten ergeben, wenn die relative Luftfeuchtigkeit verringert wird. Die relative Luftfeuchtigkeit wird normalerweise prozentual ausgedrückt. Für die Trocknung ist der andere wesentliche Parameter in Bezug auf die relative Luftfeuchtigkeit die absolute Luftfeuchtigkeit, dh die Wasserdampfmasse pro Masseneinheit trockener Luft (kg Wasser pro kg trockener Luft). Es wird jedoch von der Wassermenge in der erwärmten Luft beeinflusst. Luftzirkulationsrate Trocknungszeit und Holzqualität hängen von der Luftgeschwindigkeit und ihrer gleichmäßigen Zirkulation ab. Bei konstanter Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit wird die höchstmögliche Trocknungsrate durch schnelle Luftzirkulation über die Holzoberfläche erreicht, wodurch die aus dem Holz verdunstende Feuchtigkeit schnell entfernt wird. Eine höhere Trocknungsrate ist jedoch nicht immer wünschenswert, insbesondere für undurchlässige Harthölzer, da höhere Trocknungsraten größere Spannungen entwickeln, die dazu führen können, dass das Holz reißt oder sich verformt. Bei sehr niedrigen Lüftergeschwindigkeiten von weniger als 1 m / s ist der Luftstrom durch den Stapel häufig laminar und die Wärmeübertragung zwischen der Holzoberfläche und dem sich bewegenden Luftstrom ist nicht besonders effektiv (Walker et al., 1993). Die geringe Wirksamkeit (extern) der Wärmeübertragung ist nicht unbedingt ein Problem, wenn die interne Feuchtigkeitsbewegung die Hauptbeschränkung für die Bewegung von Feuchtigkeit ist, wie dies bei den meisten Laubhölzern der Fall ist (Pordage und Langrish, 1999).

Klassifizierung von Trockenhölzern

Die Hölzer werden nach ihrer Trocknungsfreundlichkeit und ihrer Neigung zur Trocknung wie folgt klassifiziert:

Hochfeuerfeste Hölzer Diese Hölzer sind langsam und schwer zu trocknen, wenn das Endprodukt frei von Defekten, insbesondere Rissen und Spalten, sein soll. Beispiele sind schwere Strukturhölzer mit hoher Dichte wie Eisenrinde (Eucalyptus paniculata), Blackbutt (E. pilularis), Southern Blue gum (E. globulus) und Brush Box (Lophostemon cofertus). Sie erfordern erheblichen Schutz und Pflege gegen schnelle Trocknungsbedingungen für die besten Ergebnisse (Bootle, 1994). Mäßig feuerfeste Hölzer Diese Hölzer zeigen eine mäßige Tendenz, beim Würzen zu reißen und zu spalten. Sie können fehlerfrei mit mäßig schnellen Trocknungsbedingungen gewürzt werden (d. h. Es kann eine maximale Trockenkolbentemperatur von 85 ° C verwendet werden). Beispiele sind Sydney Blue gum (E. saligna) und andere Hölzer mittlerer Dichte (Bootle, 1994), die potenziell für Möbel geeignet sind. Nicht feuerfeste Hölzer Diese Hölzer können auch durch Anwendung hoher Temperaturen (Trockenkolbentemperaturen von mehr als 100 ° C) in Industrieöfen schnell fehlerfrei abgelagert werden. Wenn sie nicht schnell getrocknet werden, können sie Verfärbungen (blaue Flecken) und Schimmel auf der Oberfläche entwickeln. Beispiele sind Nadelhölzer und Hölzer niedriger Dichte wie Pinus radiata.

ModelEdit

Die Geschwindigkeit, mit der Holz trocknet, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, von denen die wichtigsten die Temperatur, die Abmessungen des Holzes und die relative Luftfeuchtigkeit sind. Simpson und Tschernitz haben ein einfaches Modell der Holztrocknung als Funktion dieser drei Variablen entwickelt. Obwohl die Analyse für Roteiche durchgeführt wurde, kann das Verfahren auf jede Holzart angewendet werden, indem die konstanten Parameter des Modells angepasst werden.

Einfach ausgedrückt geht das Modell davon aus, dass die Änderungsrate des Feuchtigkeitsgehalts M in Bezug auf die Zeit t proportional dazu ist, wie weit die Holzprobe von ihrem Gleichgewichtsfeuchtegehalt M e {\displaystyle M_{e}}

entfernt ist , was eine Funktion der Temperatur T und der relativen Luftfeuchtigkeit h: d M d t = − M − M e τ {\displaystyle {\frac {dM}{dt}}=-{\frac {M-M_{e}}{\tau }}}

wobei τ {\displaystyle \tau }

ist eine Funktion der Temperatur T und einer typischen Holzdimension L und hat Zeiteinheiten. Die typische Holzdimension ist ungefähr der kleinste Wert von ( L r , L t , L L / 10 {\displaystyle L_{r},\,L_{t},\,L_{L}/10}

), die die radialen, tangentialen bzw. longitudinalen Abmessungen in Zoll mit der longitudinalen geteilt durch zehn, weil Wasser in Längsrichtung (entlang des Korns) etwa 10-mal schneller diffundiert als in den lateralen Dimensionen. Die Lösung der obigen Gleichung lautet: M − M e M 0 − M e = e − t τ {\displaystyle {\frac {M-M_{e}}{M_{0}-M_{e}}}=e^{-{\frac {t}{\tau }}}}

Wobei M 0 {\displaystyle M_{0}}

der anfängliche Feuchtigkeitsgehalt ist. Es wurde gefunden, dass für Roteichenholz die „Zeitkonstante“ τ {\displaystyle \tau }

gut ausgedrückt wurde als: τ = L n a + b p sat (T ) {\displaystyle \tau ={\frac {L^{n}}{a+bp_{\text{sat}}(T)}}}

wobei a, b und n konstanten und p sat (T ) {\displaystyle p_{\text{sat}}(T)}

ist der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei der Temperatur T. Für die in Tagen gemessene Zeit, die Länge in Zoll und p sat {\displaystyle p_{\text{sat}}}

gemessen in mmHg wurden die folgenden Werte der Konstanten für Roteichenholz gefunden. a = 0,0575 b = 0,00142 n = 1,52

Lösung für die Trocknungszeit ergibt:

t = − τ ln ⁡ ( M − M e M 0 − M e ) = − ln a + b p sat (T ) ln ⁡ ( M − M e M 0 − M e ) {\displaystyle t=-\tau \,\ln \links({\frac {M-M_{e}}{M_{0}-M_{e}}}\rechts)={\frac {-L^{n}}{a+bp_{\text{sat}}(T)} }\,\ln \links({\frac {M-M_{e}}{M_{0}-M_{e}}}\rechts)}

Bei 150 ° F beträgt beispielsweise unter Verwendung der Arden-Buck-Gleichung der Sättigungsdampfdruck von Wasser etwa 192 mmHg (25,6 kPa). Die Zeitkonstante zum Trocknen einer 1 Zoll dicken (25 mm) Roteichenplatte bei 150 ° F beträgt dann τ = 3,03 {\displaystyle \tau =3,03}

Tage, was die Zeit ist, die erforderlich ist, um den Feuchtigkeitsgehalt auf 1 / e = 37% seiner anfänglichen Abweichung vom Gleichgewicht zu reduzieren. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit 0,50 beträgt, beträgt der Feuchtigkeitsgehalt des Holzes im Gleichgewicht unter Verwendung der Hailwood-Horrobin-Gleichung etwa 7,4%. Die Zeit, um das Holz von 85% Feuchtigkeitsgehalt auf 25% Feuchtigkeitsgehalt zu reduzieren, beträgt dann etwa 4,5 Tage. Höhere Temperaturen führen zu schnelleren Trocknungszeiten, erzeugen aber auch größere Spannungen im Holz, da der Feuchtigkeitsgradient größer ist. Für Brennholz ist dies kein Problem, aber für Holzbearbeitungszwecke führen hohe Spannungen dazu, dass das Holz reißt und unbrauchbar wird. Normale Trocknungszeiten, um minimale Gewürzkontrollen (Risse) in 25 mm (1 Zoll oder 4/4 Holz) Roteiche zu erhalten, reichen von 22 bis 30 Tagen, und in 8/4, (50 mm oder 2 Zoll) wird es von 65 bis 90 Tagen reichen.