Theorie der Verdunstung von freier Feuchtigkeit im Holz und Forschung zur Trocknung von Holz mit elektrischen Heizrohren aus Kohlenstofffasern

Je nach der Art und Weise, wie sich Wasser mit Materialien verbindet, unterteilt die Trocknungswissenschaft die Materialien in drei Kategorien. Die erste Kategorie sind kapillarporöse Körper, bei denen sich die Abmessungen bei Feuchtigkeitsänderungen nur minimal oder gar nicht ändern, wie z. B. bei Koks, Holzkohle, Erde und Kies. Die zweite Kategorie sind Kolloide, bei denen sich sowohl Größe als auch Volumen mit dem Feuchtigkeitsgehalt ändern, wie z. B. bei Gelatine. Die dritte Kategorie sind kapillarporöse Kolloide, die häufiger vorkommen und Merkmale der beiden vorherigen Kategorien aufweisen. Viele Gegenstände, denen wir täglich begegnen, wie Holz, Leder, Getreide, Lebensmittel und Heilkräuter, gehören zu dieser Kategorie.

Beim Trocknen von Rignan-Holz kommt es häufig zu Faltenbildung. In den späten 1950er Jahren glaubten Forscher, dass dies durch Trocknungsstress verursacht wird, bei dem die Oberflächenschrumpfung in den ersten Phasen der Trocknung größer ist als die innere Schrumpfung, was zu Spannungen im Inneren des Holzes führt, die im Endprodukt Faltenbildung verursachen. Weitere Forschungen ergaben jedoch, dass die Faltenbildung nicht auf makroskopischen Trocknungsstress zurückzuführen ist, sondern auf mikroskopische Kapillarspannung. Faltenbildung tritt auf, wenn die Kapillarspannung die Druckfestigkeit in Querrichtung übersteigt. Die Druckfestigkeit einer bestimmten Holzart im grünen (nassen) Zustand beträgt beispielsweise 3,59 MPa. Faltenbildung kann auftreten, wenn der Porenradius weniger als 0,04 μm beträgt. Daher ist es von größter Bedeutung, das plötzliche Auftreten von Kapillarspannungen im Holz zu verstehen, die durch das Austreiben von großem Kapillarwasser beim Trocknen entstehen.

Das Modell der Verdunstung von freier Feuchtigkeit im Holz ist recht langwierig, so dass ich es hier nicht näher erläutern möchte. Lassen Sie uns stattdessen den Mechanismus der Faltenbildung während der Holztrocknung diskutieren. Bei der Verdrängung der freien Feuchtigkeit aus dem Inneren des Holzes ist es notwendig, in der Anfangsphase der Trocknung niedrige Temperaturen zu verwenden. Dies erklärt, warum wir das Holz im Allgemeinen bis zu einem gewissen Grad an der Luft trocknen lassen, bevor wir es in die Trockenkammer geben. Nasses Holz sollte nicht direkt in Trockenkammern gelagert werden, da dies zu Rissen und Verformungen und damit zu Verlusten führen kann. Der Grund für Risse und Verformungen liegt darin, dass die Entwässerung aus großen Kapillaren bei hohen Temperaturen schneller erfolgt, was zu einer plötzlichen Kapillarspannung innerhalb der Holzfasern führt, die die Querdruckfestigkeit übersteigt, was zu sichtbaren Verformungen und Rissen im Holz führt.

Könnte der Ersatz von Wasser im Holz durch Flüssigkeiten mit geringerer Oberflächenspannung die Faltenbildung im Holz während der Trocknung verringern, wenn man der Theorie folgt, dass die Kapillarspannung die Faltenbildung im Holz verursacht? Forscher versuchten, das Wasser im Holz durch Methanol und Ethanol zu ersetzen, die eine geringere Oberflächenspannung haben, und beobachteten eine deutliche Verbesserung der Faltenbildung beim Trocknen. Dieser Ansatz ist jedoch für die tägliche Produktion wirtschaftlich nicht praktikabel. Nichtsdestotrotz bestätigt dieses Forschungsergebnis, dass die Faltenbildung im Holz tatsächlich durch die Kapillarspannung im Inneren des Holzes verursacht wird, und bietet eine theoretische Grundlage für weitere Forschungsbemühungen.

Die experimentelle Überprüfung zeigt das folgende Muster der Feuchtigkeitsmigration im Holz:

1. Das freie Wasser auf der Holzoberfläche und das Wasser in den Zellen verdampfen vollständig.
2. Das freie Wasser in den inneren Zellen wandert entlang der Kapillaren an die Oberfläche.
3. Das an der Oberfläche haftende Wasser, d. h. das Wasser in den Poren, verdunstet ebenfalls, wodurch die Oberflächenfeuchtigkeit unter den Sättigungspunkt der Faser sinkt.
4. Die Feuchtigkeit im Holz ist in den inneren Schichten höher als an der Oberfläche, wodurch ein Feuchtigkeitsgefälle von innen nach außen entsteht.
5. Aufgrund des Feuchtigkeitsgradienten wandert die Feuchtigkeit im Holz von Bereichen mit höherem zu solchen mit niedrigerem Feuchtigkeitsgehalt.

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