Dřevo je ve vztahu k okolnímu prostředí hygroskopickým materiálem schopným přijímat nebo odevzdávat vodu, ať už ve skupenství kapalném nebo plynném, a má schopnost měnit svoji vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí. Schopnost suchého dřeva poutat stavebními látkami buněčné stěny (celulózou a hemicelulózami) kapaliny a plyny vyplývá z ontogeneze elementů dřeva, které byly diferencovány v plně nasyceném vodním prostředí. Přítomnost vody byla navíc nezbytnou podmínkou pro udržení života vůbec. Ačkoliv dřevo může přijímat i jiné kapaliny a plyny, voda je z praktického hlediska nejdůležitější. Rostoucí strom obsahuje velké množství vody, která je nezbytná pro jeho existenci. Po skácení se obsah vody ve dřevě podle dalšího použití dále snižuje nebo zvyšuje. Vzhledem k hygroskopicitě však dřevo prakticky vždy vodu obsahuje. Ve většině případů voda ve dřevě ovlivňuje i vlastnosti dřeva a způsobuje často jejich zhoršení. Se změnou obsahu vody ve dřevě jsou spojeny změny fyzikálních a mechanických vlastností, odolnosti proti houbám a napadení hmyzem, technologických postupů zpracování dřeva a další procesy. Jedním z nejdůležitějších dějů z tohoto pohledu je pohyb tekutin ve dřevě, pro který má rozhodující význam stavba vodivých cest.

 

Evoluce transportních procesů ve dřevě

 

 

 

Po ukončení diferenciace anatomických elementů dřeva začínají tyto plnit svoji předem určenou funkci. Obvykle se podle funkce anatomické elementy dřeva dělí na mechanické, vodivé a zásobní. U některých elementů dřeva jsou funkce spojeny. Např. tracheidy jehličnatého dřeva plní současně funkci mechanickou i vodivou. U evolučně pokročilejších dřevin listnatých jsou funkce většinou odděleny do samostatných druhů buněk dřeva. V dalších kapitolách si blíže všimneme podílu jednotlivých elementů dřeva z hlediska funkce vodivé a výsledného ovlivnění vodivosti celého pletiva. Dřevo jako vodivé pletivo nemá pouze zásadní význam pro mnohobuněčné suchozemské zdřevnatělé rostliny, ale s vodivou funkcí dřeva se setkáváme každodenně v našem životě při tocích hmoty a energie. Výsledné chování dřeva při pohybu hmoty (vlhkostní pole) nebo energie (teplotní a elektromagnetické pole) souvisí s evolucí transportních procesů u rostlin.

 

 

Důležitost transportních procesů u rostlin vzrostla poté, co se vyvinuly v mnohobuněčné organismy se specializovanými pletivy. Reprodukční orgány s listy se u suchozemských rostlin stále více vzdalovaly kořenům a transport mezi nimi zabezpečovaly svazky cévní - lýko a dřevo. Současně s vedením minerálních látek a vody dřevem vyvstala nutnost zabezpečení mechanické stability celé rostliny, a dřevní pletiva se dále specializovala na vodivá a mechanická.

 

 

Mezibuněčný transport probíhá u všech rostlin, ale většinou se jedná o pomalý difúzní děj na krátké vzdálenosti. Rychlejší tok látek na větší vzdálenosti zabezpečují u vyšších rostlin vodivými svazky cévní – dřevo a lýko, což má pro anatomické elementy dřeva závažné důsledky. Buňky jsou protáhlého tvaru se zpevněnou (lignifikovanou) buněčnou stěnou a rozpuštěným protoplastem, takže celý lumen může plnit svoji vodivou funkci v rostlině. U více primitivních nahosemenných rostlin (jehličnaté dřeviny) je dřevo tvořeno převážně protáhlými prosenchymatickými buňkami – tracheidami – o průměru 40 μm a délce kolem 3 mm, na které jsou kladeny také mechanické požadavky. Specializované dřevo krytosemenných rostlin (listnaté dřeviny) má oddělenu funkci mechanickou a vodivou, a vodivé elementy – cévy – se rozšířily až na 500 μm a zkrátily na délku 1 mm (obr.). Navíc mezi jednotlivými cévními články byly více méně rozpuštěny buněčné stěny (různé typy perforací). Důsledkem je pomalejší pohyb vody v tracheidách přes ztenčeniny buněčných stěn ve srovnání s tokem vody v cévách.

 

 

Příjem vody kořeny rostlin je pasivní působením tahového napětí vody v xylému a osmotického gradientu minerálních látek v okolí kořenů. Pasívní je také pohyb vody v xylému, a to díky gradientu tlaků tak jak jej popisuje kohezní teorie. Rychlost pohybu transpirační vody v xylému odpovídá velikosti cév a mění se také během dne. Maximální rychlost toku v běli u dřev s malými cévami se pohybuje kolem 2 m.hod-1, u dřevin s velkými cévami kolem 50 m.hod-1. Hybnou silou pohybu vody a silou schopnou udržet sloupec vody u stromů vysokých kolem 100 m je rozdíl atmosférického tlaku vzduchu nad transpirujícími listy a napětí vody v xylému v důsledku nejmenšího poloměru kapiláry na celé vodivé cestě od kořenů k listům. Napětí vody v elementech xylému je napětí tahové a dosahuje hodnot 1-2,5 MPa. 

 

 

V okamžiku neočekávaného poškození vodivých pletiv je pod stejným tlakem nasáván do dřeva vzduch, který může způsobit vzduchovou embolii vodivých elementů a vodivé cesty zneprůchodnit. Evolucí byly vyvinuty dva obrané mechanismy. U jehličnatých dřevin je to stavba dvůrkatých ztenčenin buněčných stěn, u nichž se může torus díky kapilárním silám vyklenout tak, že zcela ucpe porus dvojtečky. U listnatých dřev obranná strategie spočívá v rychlém růstu thyl a úplném zathylování vodivé cesty. Přizpůsobením tahovému napětí vody ve vodivých elementech je také submikroskopická stavba buněčné stěny, zejména orientace fibril v S1 a S2 vrstvách sekundární buněčné stěny.

 

 

Tato kapitola slouží jako podnět k zamyšlení nad souvislostmi mezi vznikem a funkcí dřeva v plně zavodněné běli rostoucího stromu a našimi požadavky na chování dřeva v technologických procesech. Dřevo jako surovina se chová tak, jak bylo evolučně přizpůsobeno k plnění základních požadavků kladených na ně rostlinou – maximální vodivost a pevnost pletiva při minimální spotřebě asimilátů na výstavbu buněk.

 

Dřevo jako kapilárně pórovitá látka

 

 

Ze stavby dřeva víme, že se nejedná o homogenní látku, ale o rostlinné pletivo, které se skládá z nejrůznějších anatomických elementů. Jak již bylo řečeno, anatomické elementy (buňky) v rostoucím stromě plní tři základní funkce - vodivou, mechanickou a zásobní. Buňky, jako strukturální elementy dřeva, mají rozhodující význam pro příjem a vedení vody při zpracování a použití dřeva. Příjem a vedení tekutin se děje přes mikro- a makrokapilární systém dřeva.

Mikrokapilární systém představuje fibrilární struktura buněčné stěny, která je tvořena intermicelárními a interfibrilárními prostory, které vytvářejí kapiláry o průměru 1-1000 nm. Tento systém je zapojen do poutání vodní páry (plynů) ze vzduchu a vody vázané. Makrokapilární systém – obecně jakékoliv kapiláry o poloměru větším než 10-6m – je tvořen lumeny a mezibuněčnými prostory; tímto systémem je vedena voda volná (kapaliny).

 

Ve směru anatomických elementů, které jsou převážně prosenchymatického protáhlého tvaru, probíhá transport kapalné vody (tekutin) zejména makrokapilárami, ale podílí se zde také mikrokapiláry. Napříč hlavních anatomických elementů (tracheid, cév a libriformních vláken) se voda pohybuje ztenčeninami buněčné stěny a lumeny dřeňových paprsků (makrokapiláry), přes buněčnou stěnu se voda pohybuje mikrokapilárním systémem. Makrokapilárami se pohybuje voda volná a hybnou silou tohoto pohybuje je gradient tlaků, t.j. fyzikální síla. Mikrokapilárami se pohybuje voda vázaná a hybnou silou pohybu je gradient koncentrací, t.j. síla chemické povahy.

 

 

 

Systematicky lze tedy kapilární systém dřeva členit na

 

 

  • makrokapiláry o poloměru r > 10-6m (>1μm)

  • mezokapiláry o poloměru r = 10-7- 10-6m (0,1-1μm) a

  • mikrokapiláry o poloměru r < 10-7 (<0,1μm)

 

 

Anatomický element

Objemové zastoupení u jehličnatých dřev (%)

Objemové zastoupení u listnatých dřev (%)

Průměr lumenu

(μm)

Tloušťka buněčné stěny

(μm)

Délka elementu (mm)

Cévy

-

15 - 65

10 - 500

1,6 - 20

0,1 - 2

Tracheidy

87 - 96

-

4 - 80

2,0 - 12

0,7 - 11

Libriformní vlákna

1 - 2

2 - 75

5 - 50

2,0 - 7

0,1 - 7

Parenchymatické buňky

4 - 12

2 - 50

5 - 100

2,0 - 4,5

0,02 - 0,2

Přehled objemového zastoupení a rozměrů anatomických elementů dřeva.

 

V tab. je uveden přehled zastoupení jednotlivých anatomických elementů a jejich rozměry. Uvedená zastoupení anatomických elementů ve dřevě a jejich rozměry určují pohyb tekutin v podélném směru. U jehličnatých dřev je pohyb látek dán zejména charakterem ztenčenin buněčné stěny, a to pro uzavřený tvar tracheidy. Průměr dvůrkatých ztenčenin tracheid jehličnatého dřeva se pohybuje kolen 25μm, průměr porusu 7μm a průměr otvorů v margu kolem 0,1-0,7μm. Význam má zejména průměr otvorů v margu, přes které se kapalina může pohybovat, a které určují maximální velikost částic tekutiny, která může být přes ztenčeninu buněčné stěny protlačena např. během impregnace dřeva (obr.). Uzavírací blanka ztenčeniny cévy listnatého dřeva není porézní, proto je příčný transport tekutin ve dřevě zabezpečován jinými elementy a cestami (obr.)

  

Vzdušná vlhkost

 

Předpokládejme, že nádoba s vodou je umístěna v uzavřeném prostoru. Molekuly kapaliny si udržují tepelnou kinetickou energii, jejíž průměrná pravděpodobnostní hodnota je přímo úměrná absolutní hodnotě T (˚K). Teplota odpovídající nulové kinetické energii je 0˚K. Referenční hodnotou pro Kelvinovu stupnici je trojný bod vody, což je teplota, při které jsou v termodynamické rovnováze všechna skupenství vody. Teplota trojného bodu je 0,01 ˚C nad bodem mrznutí vody, proto je vztah mezi stupnicemi Kelvina a Celsia dán rovnicí: T=˚C+273,15.

Molekuly vody při nastolené rovnováye v uzavřeném prostoru mají pravděpodobnostní rozložení kinetické energie, kdy pravděpodobnost, že molekula vody má větší než určité množství kinetické energie, je dána Boltzmanovým vztahem: 

frac{N}{N_{T}}$=$e^{-frac{E_{0}}{RT}}   (1)

E0  výparné teplo → energie potřebná k uskutečnění fázového přechodu a přeměně skupenství z kapalného na plynné (pro vodu 40 600 J.mol-1 při 100˚C, 44 840 J.mol-1 při 0˚C)

R - univerzální plynová konstanta (8,31441 J.mol-1 .K-1)
T - absolutní teplota (˚K)
NT - celkový počet molekul
N - počet molekul s vyšší kinetickou energií 

Dosazením do rovnice (1) získáme poměr molekul s vyšší energií než je hodnota výparného tepla N/NT=2.10-9 (při 0˚C) a 2.10-6 (při 100˚C). Je zřejmé, že pouze nepatrné množství molekul vody má dostatečnou energii při dané teplotě, aby překonalo povrchové napětí kapaliny a vypařilo se.

V uzavřeném prostoru je po určité době dosaženo rovnováhy mezi rychlostí vypařování z povrchu kapaliny a rychlostí kondenzace vodních par. Tlak vodních par odpovídající této rovnováze se nazývá tlak nasycených vodních par p0 a v rozpětí teplot 0-100˚C jej lzevypočítat podle rovnice vycházející z (1):

p_{0}$=$1,3cdot10^{11}e^{-frac{E_{0}}{RT}}   (2)

p0 - tlak nasycených vodních par (Pa)
E0 - průměrné výparné teplo vody (43 470 J.mol-1)

nebo podle Kirchoffovy rovnice:

p_{0}$=$e^{left(53,421-frac{6516,3}{T}-4,125lnTright)}  (3)

Z rovnice (2) je zřejmé, že tlak nasycených vodních par závisí pouye na absolutní teplotě, a je závislý na tlaku okolního vzduchu. Při teplotě 100˚C je hodnota p0=101,33 kPa rovna průměrnému barometrickému tlaku vzduchu při hladině moře. Dále lze snadno dokázat, že s rostoucí teplotou o 10˚C se hodnota p0 přibližně zdvojnásobuje.

Není-li dosaženo rovnováhy mezi vypařováním a kondenzací vody, v uzavřeném prostoru je navozen parciální tlak vodních par ve vzduchu p. Parciální tlak vodních par se nejčastěji počítá ze semiempirické Carrierovy rovnice, která vychází ze změřeného psychrometrického rozdílu teplot a atmosférického tlaku vzduchu. psychrometrickým rozdílem teplot je rozdíl naměřené teploty suchého a zvlhčeného teploměru destilovanou vodou:

p=p_{0w}-frac{left(p_{atm}-p_{0w}right)left(C-C_{w}right)}{1546-1,44C_{w}}    (4)

p0w - tlak nasycených vodních par (Pa)
patm - 
průměrný barometrický tlak vzduchu (Pa) 
- teplota suchého teploměru (˚C)
Cw - teplota mokrého teploměru (˚C)

Kromě tlaku vodních par může být obsah vody ve vzduchu popsán i absolutní a relativní vzdušnou vlhkostí. Absolutní vlhkost vzduchuAH je hmotnost vodních par v jednotkovém objemu vlhkého vzduchu vyjádřená v g.m-3. Hodnota odpovídající tlaku nasycených vodních par je potom nazývána absolutní vlhkost nasyceného vzduchu AH0. Absolutní vlhkost vzduchu může být vypočtena z parciálního tlaku vodních par za předpokladu, že vodní páru považujeme za ideální plyn se standardním molárním objemem

AH=frac{p}{p_{atm}}frac{m_{w}273}{V_{w}T}=2,167frac{p}{T}   (5)

AH - absolutní vlhkost vzduchu (g.m-3)
p - parciální tlak vodních par ve vzduchu (Pa)
mw - molární hmotnost vody (18 g.mol-1)
Vw - molární objem vody (0,0224 m3.mol-1)

nebo jako absolutní vlhkost nasyceného vzduchu AH0 

AH_{0}=2,167frac{p_{0}}{T}  (6)

Poměr parciálního tlaku a tlaku nasycených vodních par nebo poměr absolutní vlhkosti vzduchu a absolutní vlhkosti nasyceného vzduchu vyjadřuje relativní vlhkost vzduchuφ 

varphi=frac{p}{p_{0}}=frac{AH}{AH_{0}}   (7)

Za podmínek normálního atmosférického tlaku jsou relativní vzdušná vlhkost a absolutní teplota vzduchu zásadní parametry, které ovlivňují navlhavost a rovnovážnou vlhkost dřeva. Závislost mezi teplotou suchého a mokrého teploměru, teplotou rosného bodu, relativní vzdušnou vlhkostí, entalpií a vlhkostí vzduchu vyjadřuje psychrometrický nomogram. 

 

 Nadmořská výška  (m. n. m.)  0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400
 Atmosférický tlak (kPa)  101,3 97,9 94,2 90,8 87,4 84,2 81,2 78,1 75,2

 Závislost průměrného atmosférického tlaku na nadmořské výšce.

 

Rovnovážná vlhkost dřeva

Dřevo mění svoji vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí díky adsorpci. Adsorpcí dřeva rozumíme poutání plynné, nebo kapalné látky na měrném vnitřním povrchu dřeva. Měrný vnitřní povrch dřeva je tvořen fibrilární strukturou submikroskopické stavby buněčné stěny. Měrný vnitřní povrch dřeva S určujeme z vlhkosti monomolekulární sorpce wMpodle rovnice:

S=left(frac{6M}{pirho N}right)^{frac{2}{3}}frac{Nw_{M}}{M}  (8)

- měrný vnitřní povrch dřeva (m2)
- molární hmotnost vody (kg.mol-1)
N - Avogadrovo číslo (N=6,025.1023 mol-1)
ρ  - hustota vody (kg.m-3)

Podle povahy sil, které adsorpci způsobují, dělíme adsorpci na fyzikální a chemickou. Fyzikální adsorpce je způsobena mezimolekulárními silami v mikrokapilárách, kde se uplatňuje zejména povrchové napětí adsorbovaných kapalin a adsorpce se popisuje kapilárními jevy a kohezními silami. Při chemické adsorpci se uplatňují chemické vazby a k adsorpci docháyí především na povrchu krystalické a v celé oblasti amorfní celulózy (případně dalších sacharidických složek dřeva) vázáním adsorbované látky na volné hydroxylové skupiny pomocí vodíkových vazeb.

Množství adsorbované chemické látky ve dřevě závisí na jejích chemických a fyzikálních vastnostech (molekulární hmotnost a objem, povrchové napětí) a na faktorech prostředí (tlak, teplota, relativní vzdušná vlhkost, rychlost proudění vzduchu). Závislost množství adsorbované látky na faktorech prostředí vyjadřují adsorpční izotermy. 

Vlhkost dřeva, která se ustálí při daných podmínkách prostředí (relativní vzdušná vlhkost a teplota) se nazývá rovnovážmou vlhkostí dřeva RVD. Stav, který je takto dosažen se potom nazývá stavem vlhkostní rovnováhy SVR. Proces změny vlhkosti dřeva v závislosti na relativní vzdušnévlhkosti a teplotě prostředí je vratný, ale ne po stejné křivce (hystereze sorpce). Závislost RVD na relativní vlhkosti vzduchu při konstantní teplotě se nazývá sorpční izoterma. Závislost rovnovážné vlhkosti na teplotě lze přibližně vyjádřit vztahem, který udává, že zvýšení teploty o 10˚C způsobí pokles rovnovážné vlhkosti dřeva přibližně o 1%:

frac{dRVD}{dT}approx-0,1frac{RVD}{MH}  (9)

d RVD/d T - yměna rovnovážné vlhkosti dřeva odpovídající změně teploty (%/˚C)
MH - mez hygroskopicity daného dřeva (%) 

Vlhkost dřeva

Vlhkost dřeva se vyjadřuje podílem hmotnosti vody k hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu - vlhkost absolutníwabs, nebo podílem hmotnosti vody ke hmotnosti mokrého dřeva - vlhkost relativní wrel. Vlhkost se nejčastěji vyjadřuje v procentech a vypočítá se podle vztahů:

w_{abs}=frac{m_{w}-m_{0}}{m_{0}}cdot100=frac{m_{v}}{m_{0}}cdot100   (10)

w_{rel}=frac{m_{w}-m_{0}}{m_{w}}cdot100=frac{m_{v}}{m_{w}}cdot100  (11)

Relativní a absolutní vlhkosti se mohou navzájem přepočítat podle následujících rovnic: 

w_{rel}=frac{100cdot w_{abs}}{100+w_{abs}}   (12)

w_{abs}=frac{100cdot w_{rel}}{100+w_{rel}}   (13)

Z hlediska uložení vody ve dřevě ji můžeme rozdělit na:

  • Vodu chemicky vázanou - je součástí chemických sloučenin. Nelze ji ze dřeva odstranit sušením, ale pouze soálením, proto je ve dřevě zastoupena i při nulové absolutní vlhkosti dřeva. Zjišťuje se při chemických analýzách dřeva a její celkové množství představuje 1-2% sušiny dřeva. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností nemá žádný význam.
  • Vodu vázanou (hygroskopickou) -  nachází se v buněčných stěnách a je vázána vodíkovými můstky na hydroxilové skupiny OH amorfní části celulózy a hemicelulóz. Voda váyaná se ve dřevě vyskytuje při vlhkosteche 0-30%.Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností má největší a zásadní význam.
  • Vodu volnou (kapilární) - vyplňuje ve dřevě lumeny buněk a mezibuněčné prostory. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastnostímá postatně menší význam než voda vázaná.

Hranici mezi vodou vázanou avolnou stanovujeme na základě určení meze nasycení buněčných stěn MNBS nebo meze hygroskopicity MH. Jde o stav, při kterém je buněčná stěna plně nasycená vodou a lumen přitom neobsahuje žádnou vodu volnou. Rozdíl mezi MNBS a MH spočívá v prostředí, kterému je dřevo vystaveno. U MNBS je to voda ve skupenství kapalném, u MH ve skupenství plynném. Při teplotě 15-20˚C mají obě veličiny přibližně stejnou hodnotu(kol. 30%), ale na rozdíl od MNBS je MH závislá na teplotě prostředí a s rostoucí teplotou klesá. Závislost MNBS (MH) na hustotě dřeva lze vyjádřit vztahem:

MNBS=left(frac{1}{rho_{k}}-frac{1}{rho_{0}}right)rho_{H_{2}O}   (14)

ρk - konvenční hustota dřeva (g.cm-3)
ρ0 - hustota absolutně suchého dřeva (g.cm-3)
ρH2O - hustota vody (g.cm-3)

Na základě empirického proložení závislosti MNBS na hustotě dřeva u hospodářsky využívaných dřev mocninnou funkcí je možné vypočítat MNBS pouze ze znalosti ρ0

MNBS=1035 rho_{0}^{-0,545}   (14a)

Nasáklivost dřeva je schopnost dřeva v důsledku pórovité stavby nasávat vodu ve formě kapaliny. Množství volné vody je závislé především na objemu pórů ve dřevě. teoreticky lze maximální vlhkost dřeva vypočítat vzhledem k závislosti na hustotě dřeva ze vztahu:

w_{max}=MNBS+left(frac{1}{rho_{0}}-frac{1}{rho_{s}}right)   (15)

Za vztahu (14) lze výpočet zjednodušit na tvar: 

w_{max}=left(frac{1}{rho_{k}}-frac{1}{rho_{s}}right)   (16)

wmax - maximální vlhkost dřeva (g.g-1)
ρs - hustota dřevní substance (g.cm-3)

Nasáklivost dřeva jádra je menší než běli, se zvyšující se hustotou dřeva se nasáklivost zmenšuje, zvýšením teploty se nasáklivost dřeva urychluje.

 

Vliv faktorů na vlhkost dřeva

 

Na vlhkost dřeva má největší vliv stavba a hustota dřeva, teplota a mechanické namáhání dřeva. Rozložení vlhkosti v kmeni rostoucího stromu je nerovnoměrné a mění se s výškou a po průměru kmene. Rozdílné vlhkosti mezi jádrem a bělí u vybraných dřevin jsou zobrazeny na obr.4.3. Největší rozdíl mezi vlhkostí jádra (vyzrálého dřeva) a bělí je obecně u jehličnanů, kde jádro (vyzrálé dřevo) má 3 - 4 krát menší vlhkost než běl. Např. borovice a smrk mají průměrnou roční vlhkost jádra či vyzrálého dřeva 33 - 38 %, zatímco vlhkost běle je 112 - 132 %. U dřeva listnáčů je vlhkost dřeva po průměru kmene rozložena mnohem rovnoměrněji. U listnatých dřev s jádrem není podstatný rozdíl ve vlhkostech jádra a běle. Rovněž u listnatých dřevin bez jádra nejsou velké rozdíly mezi středovými a obvodovými vrstvami kmene a vlhkost se pohybuje mezi 70 - 90 %. S výškou stromu se vlhkost u jehličnanů zvyšuje, což neplatí pro listnaté dřeviny, kde se vlhkost s výškou téměř nemění (obr). Stejně tak vlhkost mladých stromů je vyšší než vlhkost stromů starších. Obě závislosti lze vysvětlit vyšším nebo úplným podílem bělového dřeva.

Vlhkost dřeva se mění i v průběhu roku. Maximální vlhkost dřeva je dosahována v zimním období, minimální je během léta. Vedle sezónních změn kolísá vlhkost dřeva i v průběhu dne. Např. u běle smrku a dubu byla zjištěna průměrná vlhkost ráno 186% a 68%, v poledne 132% a 72%, a večer 105% a 66%.

Vlhkost dřeva má velký význam při zpracování dřeva a používání výrobků ze dřeva. Tato vlhkost se označuje za technickou vlhkost. Technická vlhkost zahrnuje jak výrobní tak provozní vlhkost. Jako obecně správné se považuje pravidlo, že výrobní vlhkost se má rovnat provozní vlhkosti, resp. u některých druhů výrobků má být o 1 - 2% nižší. Tím se předejde nežádoucím deformacím v důsledku kolísání teploty a relativní vlhkosti prostředí.

 

 

Metody měření vlhkosti dřeva

 

Podle vlhkosti se dřevo často v praxi zařazuje do následujících skupin: 

 

  1. dřevo mokré, dlouhou dobu uložené ve vodě (w > 100%)

  2. dřevo čerstvě skáceného stromu (w = 50 - 100%, některá dřeva např. topol až 180%)

  3. dřevo vysušené na vzduchu (w = 15 - 22%)

  4. dřevo vysušené na pokojovou teplotu (w = 8 - 15%)

  5. dřevo absolutně suché (w = 0%)

 

Na zjišťování vlhkosti dřeva se používá celá řada metod, které se dělí na :

 

a) přímé (absolutní) metody, kterými zjišťujeme skutečný obsah vody ve dřevě;

 

b) nepřímé (relativní) metody, kterými se obsah vody určuje nepřímo prostřednictvím měření jiné veličiny, jejíž hodnota závisí na obsahu vody ve dřevě.

 

 

 

Z přímých metod se používají zejména metody váhová (gravimetrická), a destilační. Z nepřímých metod jsou rozšířené metody elektrofyzikální (odporová, dielektrická), radiometrické (založené na absorpci různých druhů záření), akustické (využití rychlosti šíření nebo adsorpce zvuku a ultrazvuku) a termofyzikální. V sušárenské praxi se dále používá metoda zjišťování průměrné vlhkosti sušeného řeziva pomocí měření sesýchání.

K nejpraktičtějším a zároveň nejpoužívanějším způsobům měření vlhkosti dřeva pro svoji jednoduchost a rychlost patří měření pomocí vlhkoměrů. Trend současného vývoje přístrojů na měření vlhkosti také potvrzuje, že nejperspektivnější jsou stále elektrické vlhkoměry.

 

 

Měření vlhkosti gravimetrickou (váhovou) metodou

 

 

Gravimetrická metoda je přímá metoda, která vychází z definičního vzorce vlhkosti podle rovnice (10). Tato metoda je nejpřesnější metodou určení vlhkosti dřeva a je také referenční metodou při posuzování přesnosti ostatních metod.

 

Pracovní postup při gravimetrické metodě spočívá ve zjištění hmotnosti vlhkého dřeva mw a absolutně suchého dřevam0 po jeho vysušení při teplotě 103 ± 2°C. Sušení se kontroluje opakovaným vážením. Dřevo se za vysušené považuje tehdy, když mezi následujícími dvěmi váženími v intervalu 2 hodin se hmotnost nezmění o více než 0,02 g, resp. 1%. U překližek, laťovek, dřevotřískových a dřevovláknitých desek se hmotnost vzorku považuje za stálou, když rozdíl mezi dvěmi po sobě následujícími váženími v intervalu 6 hodin nepřesahuje 0,1g hmotnosti zkoušeného vzorku.

Výhodou gravimetrické metody je její vysoká přesnost, k nevýhodám patří náročnost na čas, pracnost přípravy tělísek a nemožnost kontinuálního měření vlhkosti.

 

Měření vlhkosti dřeva nepřímými metodami

 

 

Z nepřímých metod je u dřeva nejčastěji využíváno měření elektrofyzikálních veličin, které vykazují určitou závislost na vlhkosti dřeva. Vlhkost dřeva výrazně ovlivňuje všechny základní elektrofyzikální veličiny dřeva (viz kap.10.2 Elektrické vlastnosti dřeva), proto se všechny z těchto vlastností mohou pro účely měření vlhkosti dřeva použít. Pod elektrickým vlhkoměrem rozumíme takový přístroj, jehož činnost spočívá v měření některé elektrické veličiny dřeva, která je výrazně ovlivňovaná vlhkostí dřeva. Vlhkoměry tedy běžně měří některou elektrickou veličinu, která však přímo nepředstavuje materiálovou charakteristiku (tab. 4.3).

 

S ohledem na druh elektrického napětí můžeme vlhkoměry rozlišovat na odporové s jednosměrným napětím a dielektrické se střídavým napětím. Konkrétní elektrická veličina, která slouží pro zjišťování vlhkosti je však ovlivňována i dalšími fyzikálními činiteli. Tyto můžeme rozdělit na:

 

  • vnitřní, dané vlastnostmi materiálu (druh, hustota, anizotropie, teplota, vady dřeva);

  • vnější, tvořící podmínky měření (frekvence a intenzita elektrického pole, relativní vlhkost vzduchu, chemická kontaminace dřeva).

 

Zjišťovaná veličina

Elektrofyzikální charakteristika dřeva

Měřená elektrická veličina

 

Měrný odpor ρ, resp.

Měrná vodivost γ

odpor R

Vlhkost dřeva

Relativní permitivitaε'

kapacita C

 

Ztrátové číslo ε"

vodivost G

 

Ztrátový úhel tg δ

fázový posun

 

Komplexní permitivitaε*

admitance Y

Přehled měřených elektrických veličin používaných u elektrických vlhkoměrů (Makovíny 1995).

 

 Základy vztahu mezi dřevem a vodou 

 

Dřevo je ve vztahu k okolnímu prostředí hygroskopickým materiálem schopným přijímat nebo odevzdávat vodu, ať už ve skupenství kapalném nebo plynném, a má schopnost měnit svoji vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí. Schopnost suchého dřeva poutat stavebními látkami buněčné stěny (celulózou a hemicelulózami) kapaliny a plyny vyplývá z ontogeneze elementů dřeva, které byly diferencovány v plně nasyceném vodním prostředí. Přítomnost vody byla navíc nezbytnou podmínkou pro udržení života vůbec. Ačkoliv dřevo může přijímat i jiné kapaliny a plyny, voda je z praktického hlediska nejdůležitější. Rostoucí strom obsahuje velké množství vody, která je nezbytná pro jeho existenci. Po skácení se obsah vody ve dřevě podle dalšího použití dále snižuje nebo zvyšuje. Vzhledem k hygroskopicitě však dřevo prakticky vždy vodu obsahuje. Ve většině případů voda ve dřevě ovlivňuje i vlastnosti dřeva a způsobuje často jejich zhoršení. Se změnou obsahu vody ve dřevě jsou spojeny změny fyzikálních a mechanických vlastností, odolnosti proti houbám a napadení hmyzem, technologických postupů zpracování dřeva a další procesy. Jedním z nejdůležitějších dějů z tohoto pohledu je pohyb tekutin ve dřevě, pro který má rozhodující význam stavba vodivých cest.

 

Evoluce transportních procesů ve dřevě

 

 

 

Po ukončení diferenciace anatomických elementů dřeva začínají tyto plnit svoji předem určenou funkci. Obvykle se podle funkce anatomické elementy dřeva dělí na mechanické, vodivé a zásobní. U některých elementů dřeva jsou funkce spojeny. Např. tracheidy jehličnatého dřeva plní současně funkci mechanickou i vodivou. U evolučně pokročilejších dřevin listnatých jsou funkce většinou odděleny do samostatných druhů buněk dřeva. V dalších kapitolách si blíže všimneme podílu jednotlivých elementů dřeva z hlediska funkce vodivé a výsledného ovlivnění vodivosti celého pletiva. Dřevo jako vodivé pletivo nemá pouze zásadní význam pro mnohobuněčné suchozemské zdřevnatělé rostliny, ale s vodivou funkcí dřeva se setkáváme každodenně v našem životě při tocích hmoty a energie. Výsledné chování dřeva při pohybu hmoty (vlhkostní pole) nebo energie (teplotní a elektromagnetické pole) souvisí s evolucí transportních procesů u rostlin.

 

 

Důležitost transportních procesů u rostlin vzrostla poté, co se vyvinuly v mnohobuněčné organismy se specializovanými pletivy. Reprodukční orgány s listy se u suchozemských rostlin stále více vzdalovaly kořenům a transport mezi nimi zabezpečovaly svazky cévní - lýko a dřevo. Současně s vedením minerálních látek a vody dřevem vyvstala nutnost zabezpečení mechanické stability celé rostliny, a dřevní pletiva se dále specializovala na vodivá a mechanická.

 

 

Mezibuněčný transport probíhá u všech rostlin, ale většinou se jedná o pomalý difúzní děj na krátké vzdálenosti. Rychlejší tok látek na větší vzdálenosti zabezpečují u vyšších rostlin vodivými svazky cévní – dřevo a lýko, což má pro anatomické elementy dřeva závažné důsledky. Buňky jsou protáhlého tvaru se zpevněnou (lignifikovanou) buněčnou stěnou a rozpuštěným protoplastem, takže celý lumen může plnit svoji vodivou funkci v rostlině. U více primitivních nahosemenných rostlin (jehličnaté dřeviny) je dřevo tvořeno převážně protáhlými prosenchymatickými buňkami – tracheidami – o průměru 40 μm a délce kolem 3 mm, na které jsou kladeny také mechanické požadavky. Specializované dřevo krytosemenných rostlin (listnaté dřeviny) má oddělenu funkci mechanickou a vodivou, a vodivé elementy – cévy – se rozšířily až na 500 μm a zkrátily na délku 1 mm (obr.). Navíc mezi jednotlivými cévními články byly více méně rozpuštěny buněčné stěny (různé typy perforací). Důsledkem je pomalejší pohyb vody v tracheidách přes ztenčeniny buněčných stěn ve srovnání s tokem vody v cévách.

 

 

Příjem vody kořeny rostlin je pasivní působením tahového napětí vody v xylému a osmotického gradientu minerálních látek v okolí kořenů. Pasívní je také pohyb vody v xylému, a to díky gradientu tlaků tak jak jej popisuje kohezní teorie. Rychlost pohybu transpirační vody v xylému odpovídá velikosti cév a mění se také během dne. Maximální rychlost toku v běli u dřev s malými cévami se pohybuje kolem 2 m.hod-1, u dřevin s velkými cévami kolem 50 m.hod-1. Hybnou silou pohybu vody a silou schopnou udržet sloupec vody u stromů vysokých kolem 100 m je rozdíl atmosférického tlaku vzduchu nad transpirujícími listy a napětí vody v xylému v důsledku nejmenšího poloměru kapiláry na celé vodivé cestě od kořenů k listům. Napětí vody v elementech xylému je napětí tahové a dosahuje hodnot 1-2,5 MPa. 

 

 

V okamžiku neočekávaného poškození vodivých pletiv je pod stejným tlakem nasáván do dřeva vzduch, který může způsobit vzduchovou embolii vodivých elementů a vodivé cesty zneprůchodnit. Evolucí byly vyvinuty dva obrané mechanismy. U jehličnatých dřevin je to stavba dvůrkatých ztenčenin buněčných stěn, u nichž se může torus díky kapilárním silám vyklenout tak, že zcela ucpe porus dvojtečky. U listnatých dřev obranná strategie spočívá v rychlém růstu thyl a úplném zathylování vodivé cesty. Přizpůsobením tahovému napětí vody ve vodivých elementech je také submikroskopická stavba buněčné stěny, zejména orientace fibril v S1 a S2 vrstvách sekundární buněčné stěny.

 

 

Tato kapitola slouží jako podnět k zamyšlení nad souvislostmi mezi vznikem a funkcí dřeva v plně zavodněné běli rostoucího stromu a našimi požadavky na chování dřeva v technologických procesech. Dřevo jako surovina se chová tak, jak bylo evolučně přizpůsobeno k plnění základních požadavků kladených na ně rostlinou – maximální vodivost a pevnost pletiva při minimální spotřebě asimilátů na výstavbu buněk.

 

Dřevo jako kapilárně pórovitá látka

 

 

Ze stavby dřeva víme, že se nejedná o homogenní látku, ale o rostlinné pletivo, které se skládá z nejrůznějších anatomických elementů. Jak již bylo řečeno, anatomické elementy (buňky) v rostoucím stromě plní tři základní funkce - vodivou, mechanickou a zásobní. Buňky, jako strukturální elementy dřeva, mají rozhodující význam pro příjem a vedení vody při zpracování a použití dřeva. Příjem a vedení tekutin se děje přes mikro- a makrokapilární systém dřeva.

Mikrokapilární systém představuje fibrilární struktura buněčné stěny, která je tvořena intermicelárními a interfibrilárními prostory, které vytvářejí kapiláry o průměru 1-1000 nm. Tento systém je zapojen do poutání vodní páry (plynů) ze vzduchu a vody vázané. Makrokapilární systém – obecně jakékoliv kapiláry o poloměru větším než 10-6m – je tvořen lumeny a mezibuněčnými prostory; tímto systémem je vedena voda volná (kapaliny).

 

Ve směru anatomických elementů, které jsou převážně prosenchymatického protáhlého tvaru, probíhá transport kapalné vody (tekutin) zejména makrokapilárami, ale podílí se zde také mikrokapiláry. Napříč hlavních anatomických elementů (tracheid, cév a libriformních vláken) se voda pohybuje ztenčeninami buněčné stěny a lumeny dřeňových paprsků (makrokapiláry), přes buněčnou stěnu se voda pohybuje mikrokapilárním systémem. Makrokapilárami se pohybuje voda volná a hybnou silou tohoto pohybuje je gradient tlaků, t.j. fyzikální síla. Mikrokapilárami se pohybuje voda vázaná a hybnou silou pohybu je gradient koncentrací, t.j. síla chemické povahy.

 

 

 

Systematicky lze tedy kapilární systém dřeva členit na

 

 

  • makrokapiláry o poloměru r > 10-6m (>1μm)

  • mezokapiláry o poloměru r = 10-7- 10-6m (0,1-1μm) a

  • mikrokapiláry o poloměru r < 10-7 (<0,1μm)

 

 

Anatomický element

Objemové zastoupení u jehličnatých dřev (%)

Objemové zastoupení u listnatých dřev (%)

Průměr lumenu

(μm)

Tloušťka buněčné stěny

(μm)

Délka elementu (mm)

Cévy

-

15 - 65

10 - 500

1,6 - 20

0,1 - 2

Tracheidy

87 - 96

-

4 - 80

2,0 - 12

0,7 - 11

Libriformní vlákna

1 - 2

2 - 75

5 - 50

2,0 - 7

0,1 - 7

Parenchymatické buňky

4 - 12

2 - 50

5 - 100

2,0 - 4,5

0,02 - 0,2

Přehled objemového zastoupení a rozměrů anatomických elementů dřeva.

 

V tab. je uveden přehled zastoupení jednotlivých anatomických elementů a jejich rozměry. Uvedená zastoupení anatomických elementů ve dřevě a jejich rozměry určují pohyb tekutin v podélném směru. U jehličnatých dřev je pohyb látek dán zejména charakterem ztenčenin buněčné stěny, a to pro uzavřený tvar tracheidy. Průměr dvůrkatých ztenčenin tracheid jehličnatého dřeva se pohybuje kolen 25μm, průměr porusu 7μm a průměr otvorů v margu kolem 0,1-0,7μm. Význam má zejména průměr otvorů v margu, přes které se kapalina může pohybovat, a které určují maximální velikost částic tekutiny, která může být přes ztenčeninu buněčné stěny protlačena např. během impregnace dřeva (obr.). Uzavírací blanka ztenčeniny cévy listnatého dřeva není porézní, proto je příčný transport tekutin ve dřevě zabezpečován jinými elementy a cestami (obr.)

  

Vzdušná vlhkost

 

Předpokládejme, že nádoba s vodou je umístěna v uzavřeném prostoru. Molekuly kapaliny si udržují tepelnou kinetickou energii, jejíž průměrná pravděpodobnostní hodnota je přímo úměrná absolutní hodnotě T (˚K). Teplota odpovídající nulové kinetické energii je 0˚K. Referenční hodnotou pro Kelvinovu stupnici je trojný bod vody, což je teplota, při které jsou v termodynamické rovnováze všechna skupenství vody. Teplota trojného bodu je 0,01 ˚C nad bodem mrznutí vody, proto je vztah mezi stupnicemi Kelvina a Celsia dán rovnicí: T=˚C+273,15.

Molekuly vody při nastolené rovnováye v uzavřeném prostoru mají pravděpodobnostní rozložení kinetické energie, kdy pravděpodobnost, že molekula vody má větší než určité množství kinetické energie, je dána Boltzmanovým vztahem: 

frac{N}{N_{T}}$=$e^{-frac{E_{0}}{RT}}   (1)

E0  výparné teplo → energie potřebná k uskutečnění fázového přechodu a přeměně skupenství z kapalného na plynné (pro vodu 40 600 J.mol-1 při 100˚C, 44 840 J.mol-1 při 0˚C)

R - univerzální plynová konstanta (8,31441 J.mol-1 .K-1)
T - absolutní teplota (˚K)
NT - celkový počet molekul
N - počet molekul s vyšší kinetickou energií 

Dosazením do rovnice (1) získáme poměr molekul s vyšší energií než je hodnota výparného tepla N/NT=2.10-9 (při 0˚C) a 2.10-6 (při 100˚C). Je zřejmé, že pouze nepatrné množství molekul vody má dostatečnou energii při dané teplotě, aby překonalo povrchové napětí kapaliny a vypařilo se.

V uzavřeném prostoru je po určité době dosaženo rovnováhy mezi rychlostí vypařování z povrchu kapaliny a rychlostí kondenzace vodních par. Tlak vodních par odpovídající této rovnováze se nazývá tlak nasycených vodních par p0 a v rozpětí teplot 0-100˚C jej lzevypočítat podle rovnice vycházející z (1):

p_{0}$=$1,3cdot10^{11}e^{-frac{E_{0}}{RT}}   (2)

p0 - tlak nasycených vodních par (Pa)
E0 - průměrné výparné teplo vody (43 470 J.mol-1)

nebo podle Kirchoffovy rovnice:

p_{0}$=$e^{left(53,421-frac{6516,3}{T}-4,125lnTright)}  (3)

Z rovnice (2) je zřejmé, že tlak nasycených vodních par závisí pouye na absolutní teplotě, a je závislý na tlaku okolního vzduchu. Při teplotě 100˚C je hodnota p0=101,33 kPa rovna průměrnému barometrickému tlaku vzduchu při hladině moře. Dále lze snadno dokázat, že s rostoucí teplotou o 10˚C se hodnota p0 přibližně zdvojnásobuje.

Není-li dosaženo rovnováhy mezi vypařováním a kondenzací vody, v uzavřeném prostoru je navozen parciální tlak vodních par ve vzduchu p. Parciální tlak vodních par se nejčastěji počítá ze semiempirické Carrierovy rovnice, která vychází ze změřeného psychrometrického rozdílu teplot a atmosférického tlaku vzduchu. psychrometrickým rozdílem teplot je rozdíl naměřené teploty suchého a zvlhčeného teploměru destilovanou vodou:

p=p_{0w}-frac{left(p_{atm}-p_{0w}right)left(C-C_{w}right)}{1546-1,44C_{w}}    (4)

p0w - tlak nasycených vodních par (Pa)
patm - 
průměrný barometrický tlak vzduchu (Pa) 
- teplota suchého teploměru (˚C)
Cw - teplota mokrého teploměru (˚C)

Kromě tlaku vodních par může být obsah vody ve vzduchu popsán i absolutní a relativní vzdušnou vlhkostí. Absolutní vlhkost vzduchuAH je hmotnost vodních par v jednotkovém objemu vlhkého vzduchu vyjádřená v g.m-3. Hodnota odpovídající tlaku nasycených vodních par je potom nazývána absolutní vlhkost nasyceného vzduchu AH0. Absolutní vlhkost vzduchu může být vypočtena z parciálního tlaku vodních par za předpokladu, že vodní páru považujeme za ideální plyn se standardním molárním objemem

AH=frac{p}{p_{atm}}frac{m_{w}273}{V_{w}T}=2,167frac{p}{T}   (5)

AH - absolutní vlhkost vzduchu (g.m-3)
p - parciální tlak vodních par ve vzduchu (Pa)
mw - molární hmotnost vody (18 g.mol-1)
Vw - molární objem vody (0,0224 m3.mol-1)

nebo jako absolutní vlhkost nasyceného vzduchu AH0 

AH_{0}=2,167frac{p_{0}}{T}  (6)

Poměr parciálního tlaku a tlaku nasycených vodních par nebo poměr absolutní vlhkosti vzduchu a absolutní vlhkosti nasyceného vzduchu vyjadřuje relativní vlhkost vzduchuφ 

varphi=frac{p}{p_{0}}=frac{AH}{AH_{0}}   (7)

Za podmínek normálního atmosférického tlaku jsou relativní vzdušná vlhkost a absolutní teplota vzduchu zásadní parametry, které ovlivňují navlhavost a rovnovážnou vlhkost dřeva. Závislost mezi teplotou suchého a mokrého teploměru, teplotou rosného bodu, relativní vzdušnou vlhkostí, entalpií a vlhkostí vzduchu vyjadřuje psychrometrický nomogram. 

 

 Nadmořská výška  (m. n. m.)  0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400
 Atmosférický tlak (kPa)  101,3 97,9 94,2 90,8 87,4 84,2 81,2 78,1 75,2

 Závislost průměrného atmosférického tlaku na nadmořské výšce.

 

Rovnovážná vlhkost dřeva

Dřevo mění svoji vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí díky adsorpci. Adsorpcí dřeva rozumíme poutání plynné, nebo kapalné látky na měrném vnitřním povrchu dřeva. Měrný vnitřní povrch dřeva je tvořen fibrilární strukturou submikroskopické stavby buněčné stěny. Měrný vnitřní povrch dřeva S určujeme z vlhkosti monomolekulární sorpce wMpodle rovnice:

S=left(frac{6M}{pirho N}right)^{frac{2}{3}}frac{Nw_{M}}{M}  (8)

- měrný vnitřní povrch dřeva (m2)
- molární hmotnost vody (kg.mol-1)
N - Avogadrovo číslo (N=6,025.1023 mol-1)
ρ  - hustota vody (kg.m-3)

Podle povahy sil, které adsorpci způsobují, dělíme adsorpci na fyzikální a chemickou. Fyzikální adsorpce je způsobena mezimolekulárními silami v mikrokapilárách, kde se uplatňuje zejména povrchové napětí adsorbovaných kapalin a adsorpce se popisuje kapilárními jevy a kohezními silami. Při chemické adsorpci se uplatňují chemické vazby a k adsorpci docháyí především na povrchu krystalické a v celé oblasti amorfní celulózy (případně dalších sacharidických složek dřeva) vázáním adsorbované látky na volné hydroxylové skupiny pomocí vodíkových vazeb.

Množství adsorbované chemické látky ve dřevě závisí na jejích chemických a fyzikálních vastnostech (molekulární hmotnost a objem, povrchové napětí) a na faktorech prostředí (tlak, teplota, relativní vzdušná vlhkost, rychlost proudění vzduchu). Závislost množství adsorbované látky na faktorech prostředí vyjadřují adsorpční izotermy. 

Vlhkost dřeva, která se ustálí při daných podmínkách prostředí (relativní vzdušná vlhkost a teplota) se nazývá rovnovážmou vlhkostí dřeva RVD. Stav, který je takto dosažen se potom nazývá stavem vlhkostní rovnováhy SVR. Proces změny vlhkosti dřeva v závislosti na relativní vzdušnévlhkosti a teplotě prostředí je vratný, ale ne po stejné křivce (hystereze sorpce). Závislost RVD na relativní vlhkosti vzduchu při konstantní teplotě se nazývá sorpční izoterma. Závislost rovnovážné vlhkosti na teplotě lze přibližně vyjádřit vztahem, který udává, že zvýšení teploty o 10˚C způsobí pokles rovnovážné vlhkosti dřeva přibližně o 1%:

frac{dRVD}{dT}approx-0,1frac{RVD}{MH}  (9)

d RVD/d T - yměna rovnovážné vlhkosti dřeva odpovídající změně teploty (%/˚C)
MH - mez hygroskopicity daného dřeva (%) 

Vlhkost dřeva

Vlhkost dřeva se vyjadřuje podílem hmotnosti vody k hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu - vlhkost absolutníwabs, nebo podílem hmotnosti vody ke hmotnosti mokrého dřeva - vlhkost relativní wrel. Vlhkost se nejčastěji vyjadřuje v procentech a vypočítá se podle vztahů:

w_{abs}=frac{m_{w}-m_{0}}{m_{0}}cdot100=frac{m_{v}}{m_{0}}cdot100   (10)

w_{rel}=frac{m_{w}-m_{0}}{m_{w}}cdot100=frac{m_{v}}{m_{w}}cdot100  (11)

Relativní a absolutní vlhkosti se mohou navzájem přepočítat podle následujících rovnic: 

w_{rel}=frac{100cdot w_{abs}}{100+w_{abs}}   (12)

w_{abs}=frac{100cdot w_{rel}}{100+w_{rel}}   (13)

Z hlediska uložení vody ve dřevě ji můžeme rozdělit na:

  • Vodu chemicky vázanou - je součástí chemických sloučenin. Nelze ji ze dřeva odstranit sušením, ale pouze soálením, proto je ve dřevě zastoupena i při nulové absolutní vlhkosti dřeva. Zjišťuje se při chemických analýzách dřeva a její celkové množství představuje 1-2% sušiny dřeva. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností nemá žádný význam.
  • Vodu vázanou (hygroskopickou) -  nachází se v buněčných stěnách a je vázána vodíkovými můstky na hydroxilové skupiny OH amorfní části celulózy a hemicelulóz. Voda váyaná se ve dřevě vyskytuje při vlhkosteche 0-30%.Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností má největší a zásadní význam.
  • Vodu volnou (kapilární) - vyplňuje ve dřevě lumeny buněk a mezibuněčné prostory. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastnostímá postatně menší význam než voda vázaná.

Hranici mezi vodou vázanou avolnou stanovujeme na základě určení meze nasycení buněčných stěn MNBS nebo meze hygroskopicity MH. Jde o stav, při kterém je buněčná stěna plně nasycená vodou a lumen přitom neobsahuje žádnou vodu volnou. Rozdíl mezi MNBS a MH spočívá v prostředí, kterému je dřevo vystaveno. U MNBS je to voda ve skupenství kapalném, u MH ve skupenství plynném. Při teplotě 15-20˚C mají obě veličiny přibližně stejnou hodnotu(kol. 30%), ale na rozdíl od MNBS je MH závislá na teplotě prostředí a s rostoucí teplotou klesá. Závislost MNBS (MH) na hustotě dřeva lze vyjádřit vztahem:

MNBS=left(frac{1}{rho_{k}}-frac{1}{rho_{0}}right)rho_{H_{2}O}   (14)

ρk - konvenční hustota dřeva (g.cm-3)
ρ0 - hustota absolutně suchého dřeva (g.cm-3)
ρH2O - hustota vody (g.cm-3)

Na základě empirického proložení závislosti MNBS na hustotě dřeva u hospodářsky využívaných dřev mocninnou funkcí je možné vypočítat MNBS pouze ze znalosti ρ0

MNBS=1035 rho_{0}^{-0,545}   (14a)

Nasáklivost dřeva je schopnost dřeva v důsledku pórovité stavby nasávat vodu ve formě kapaliny. Množství volné vody je závislé především na objemu pórů ve dřevě. teoreticky lze maximální vlhkost dřeva vypočítat vzhledem k závislosti na hustotě dřeva ze vztahu:

w_{max}=MNBS+left(frac{1}{rho_{0}}-frac{1}{rho_{s}}right)   (15)

Za vztahu (14) lze výpočet zjednodušit na tvar: 

w_{max}=left(frac{1}{rho_{k}}-frac{1}{rho_{s}}right)   (16)

wmax - maximální vlhkost dřeva (g.g-1)
ρs - hustota dřevní substance (g.cm-3)

Nasáklivost dřeva jádra je menší než běli, se zvyšující se hustotou dřeva se nasáklivost zmenšuje, zvýšením teploty se nasáklivost dřeva urychluje.

 

Vliv faktorů na vlhkost dřeva

 

Na vlhkost dřeva má největší vliv stavba a hustota dřeva, teplota a mechanické namáhání dřeva. Rozložení vlhkosti v kmeni rostoucího stromu je nerovnoměrné a mění se s výškou a po průměru kmene. Rozdílné vlhkosti mezi jádrem a bělí u vybraných dřevin jsou zobrazeny na obr.4.3. Největší rozdíl mezi vlhkostí jádra (vyzrálého dřeva) a bělí je obecně u jehličnanů, kde jádro (vyzrálé dřevo) má 3 - 4 krát menší vlhkost než běl. Např. borovice a smrk mají průměrnou roční vlhkost jádra či vyzrálého dřeva 33 - 38 %, zatímco vlhkost běle je 112 - 132 %. U dřeva listnáčů je vlhkost dřeva po průměru kmene rozložena mnohem rovnoměrněji. U listnatých dřev s jádrem není podstatný rozdíl ve vlhkostech jádra a běle. Rovněž u listnatých dřevin bez jádra nejsou velké rozdíly mezi středovými a obvodovými vrstvami kmene a vlhkost se pohybuje mezi 70 - 90 %. S výškou stromu se vlhkost u jehličnanů zvyšuje, což neplatí pro listnaté dřeviny, kde se vlhkost s výškou téměř nemění (obr). Stejně tak vlhkost mladých stromů je vyšší než vlhkost stromů starších. Obě závislosti lze vysvětlit vyšším nebo úplným podílem bělového dřeva.

Vlhkost dřeva se mění i v průběhu roku. Maximální vlhkost dřeva je dosahována v zimním období, minimální je během léta. Vedle sezónních změn kolísá vlhkost dřeva i v průběhu dne. Např. u běle smrku a dubu byla zjištěna průměrná vlhkost ráno 186% a 68%, v poledne 132% a 72%, a večer 105% a 66%.

Vlhkost dřeva má velký význam při zpracování dřeva a používání výrobků ze dřeva. Tato vlhkost se označuje za technickou vlhkost. Technická vlhkost zahrnuje jak výrobní tak provozní vlhkost. Jako obecně správné se považuje pravidlo, že výrobní vlhkost se má rovnat provozní vlhkosti, resp. u některých druhů výrobků má být o 1 - 2% nižší. Tím se předejde nežádoucím deformacím v důsledku kolísání teploty a relativní vlhkosti prostředí.

 

 

Metody měření vlhkosti dřeva

 

Podle vlhkosti se dřevo často v praxi zařazuje do následujících skupin: 

 

  1. dřevo mokré, dlouhou dobu uložené ve vodě (w > 100%)

  2. dřevo čerstvě skáceného stromu (w = 50 - 100%, některá dřeva např. topol až 180%)

  3. dřevo vysušené na vzduchu (w = 15 - 22%)

  4. dřevo vysušené na pokojovou teplotu (w = 8 - 15%)

  5. dřevo absolutně suché (w = 0%)

 

Na zjišťování vlhkosti dřeva se používá celá řada metod, které se dělí na :

 

a) přímé (absolutní) metody, kterými zjišťujeme skutečný obsah vody ve dřevě;

 

b) nepřímé (relativní) metody, kterými se obsah vody určuje nepřímo prostřednictvím měření jiné veličiny, jejíž hodnota závisí na obsahu vody ve dřevě.

 

 

 

Z přímých metod se používají zejména metody váhová (gravimetrická), a destilační. Z nepřímých metod jsou rozšířené metody elektrofyzikální (odporová, dielektrická), radiometrické (založené na absorpci různých druhů záření), akustické (využití rychlosti šíření nebo adsorpce zvuku a ultrazvuku) a termofyzikální. V sušárenské praxi se dále používá metoda zjišťování průměrné vlhkosti sušeného řeziva pomocí měření sesýchání.

K nejpraktičtějším a zároveň nejpoužívanějším způsobům měření vlhkosti dřeva pro svoji jednoduchost a rychlost patří měření pomocí vlhkoměrů. Trend současného vývoje přístrojů na měření vlhkosti také potvrzuje, že nejperspektivnější jsou stále elektrické vlhkoměry.

 

 

Měření vlhkosti gravimetrickou (váhovou) metodou

 

 

Gravimetrická metoda je přímá metoda, která vychází z definičního vzorce vlhkosti podle rovnice (10). Tato metoda je nejpřesnější metodou určení vlhkosti dřeva a je také referenční metodou při posuzování přesnosti ostatních metod.

 

Pracovní postup při gravimetrické metodě spočívá ve zjištění hmotnosti vlhkého dřeva mw a absolutně suchého dřevam0 po jeho vysušení při teplotě 103 ± 2°C. Sušení se kontroluje opakovaným vážením. Dřevo se za vysušené považuje tehdy, když mezi následujícími dvěmi váženími v intervalu 2 hodin se hmotnost nezmění o více než 0,02 g, resp. 1%. U překližek, laťovek, dřevotřískových a dřevovláknitých desek se hmotnost vzorku považuje za stálou, když rozdíl mezi dvěmi po sobě následujícími váženími v intervalu 6 hodin nepřesahuje 0,1g hmotnosti zkoušeného vzorku.

Výhodou gravimetrické metody je její vysoká přesnost, k nevýhodám patří náročnost na čas, pracnost přípravy tělísek a nemožnost kontinuálního měření vlhkosti.

 

Měření vlhkosti dřeva nepřímými metodami

 

 

Z nepřímých metod je u dřeva nejčastěji využíváno měření elektrofyzikálních veličin, které vykazují určitou závislost na vlhkosti dřeva. Vlhkost dřeva výrazně ovlivňuje všechny základní elektrofyzikální veličiny dřeva (viz kap.10.2 Elektrické vlastnosti dřeva), proto se všechny z těchto vlastností mohou pro účely měření vlhkosti dřeva použít. Pod elektrickým vlhkoměrem rozumíme takový přístroj, jehož činnost spočívá v měření některé elektrické veličiny dřeva, která je výrazně ovlivňovaná vlhkostí dřeva. Vlhkoměry tedy běžně měří některou elektrickou veličinu, která však přímo nepředstavuje materiálovou charakteristiku (tab. 4.3).

 

S ohledem na druh elektrického napětí můžeme vlhkoměry rozlišovat na odporové s jednosměrným napětím a dielektrické se střídavým napětím. Konkrétní elektrická veličina, která slouží pro zjišťování vlhkosti je však ovlivňována i dalšími fyzikálními činiteli. Tyto můžeme rozdělit na:

 

  • vnitřní, dané vlastnostmi materiálu (druh, hustota, anizotropie, teplota, vady dřeva);

  • vnější, tvořící podmínky měření (frekvence a intenzita elektrického pole, relativní vlhkost vzduchu, chemická kontaminace dřeva).

 

Zjišťovaná veličina

Elektrofyzikální charakteristika dřeva

Měřená elektrická veličina

 

Měrný odpor ρ, resp.

Měrná vodivost γ

odpor R

Vlhkost dřeva

Relativní permitivitaε'

kapacita C

 

Ztrátové číslo ε"

vodivost G

 

Ztrátový úhel tg δ

fázový posun

 

Komplexní permitivitaε*

admitance Y

Přehled měřených elektrických veličin používaných u elektrických vlhkoměrů (Makovíny 1995).

 

 

 

 


DomůDomů

Košík  

(prázdný)