Teoria vapaan kosteuden haihtumisesta puun sisällä ja tutkimus puun kuivaamisesta hiilikuituisilla sähkölämmitysputkilla

Sen mukaan, miten vesi yhdistyy materiaaleihin, kuivaustiede jakaa materiaalit kolmeen luokkaan. Ensimmäiseen luokkaan kuuluvat kapillaarihuokoiset kappaleet, joissa mitat muuttuvat vain vähän tai eivät lainkaan kosteuden muuttuessa, kuten koksi, puuhiili, maa-aines ja sora. Toiseen luokkaan kuuluvat kolloidit, joissa sekä koko että tilavuus muuttuvat kosteuden vaikutuksesta, kuten gelatiini. Kolmas luokka on kapillaarihuokoiset kolloidit, jotka ovat yleisempiä ja joissa on molempien edellisten luokkien ominaisuuksia. Monet päivittäin kohtaamamme esineet, kuten puu, nahka, jyvät, ruoka ja lääkekasvit, kuuluvat tähän luokkaan.

Rignan-puuta kuivattaessa se rypistyy helposti. Tutkijat uskoivat 1950-luvun lopulla, että tämä johtui kuivausjännityksestä, jossa kuivumisen alkuvaiheessa pinnan kutistuminen oli suurempaa kuin sisäpuolinen kutistuminen, mikä johti puun sisäiseen jännitykseen, joka aiheutti ryppyisyyttä lopputuotteeseen. Jatkotutkimukset kuitenkin osoittivat, että ryppyisyys ei johdu makroskooppisesta kuivumisjännityksestä vaan pikemminkin mikroskooppisesta kapillaarijännityksestä. Rypistymistä tapahtuu, kun kapillaarijännitys ylittää poikittaisen puristuslujuuden. Esimerkiksi tietyn puulajin puristuslujuusraja vihreässä (märässä) tilassa on 3,59 MPa. Rypistymistä voi esiintyä, jos huokossäde on alle 0,04 μm. Sen vuoksi on ensiarvoisen tärkeää ymmärtää, miten äkillinen kapillaarijännitys syntyy puun sisällä, kun suuri kapillaarinen vesi poistuu kuivumisen aikana.

Malli vapaan kosteuden haihtumisesta puun sisällä on melko työläs, joten en puutu siihen tässä yhteydessä. Keskustellaan sen sijaan puun kuivumisen aikana tapahtuvasta ryppyyntymismekanismista. Vapaan kosteuden haihtuessa puun sisältä on kuivauksen alkuvaiheessa käytettävä alhaisia lämpötiloja. Tämä selittää sen, miksi puun annetaan yleensä kuivua luonnossa tietyssä määrin ennen kuin se asetetaan kuivausuuniin. Märkää puuta ei pitäisi laittaa suoraan kuivausuuniin, koska se voi aiheuttaa halkeilua ja muodonmuutoksia, jotka johtavat tappioihin. Halkeilun ja muodonmuutosten syynä on se, että suurista kapillaareista tapahtuva valuminen tapahtuu nopeammin korkeissa lämpötiloissa, mikä johtaa äkilliseen kapillaarijännitykseen puukuitujen sisällä, joka ylittää poikittaisen puristuslujuuden, mikä johtaa puun näkyvään muodonmuutokseen ja halkeiluun.

Sen teorian mukaan, jonka mukaan kapillaarijännitys aiheuttaa puun ryppyyntymistä, voisiko veden korvaaminen puun sisällä nesteillä, joiden pintajännitys on pienempi, vähentää puun ryppyyntymistä kuivauksen aikana? Tutkijat yrittivät korvata veden puun sisällä metanolilla ja etanolilla, joiden pintajännitys on pienempi, ja havaitsivat, että ryppyyntyminen kuivumisen aikana parani merkittävästi. Tämä lähestymistapa on kuitenkin taloudellisesti epäkäytännöllinen päivittäisessä tuotannossa. Tämä tutkimustulos kuitenkin vahvistaa, että puun rypistyminen johtuu todellakin puun sisäisestä kapillaarijännityksestä, ja tarjoaa teoreettisen perustan myöhemmille tutkimustoimille.

Kokeellinen todentaminen osoittaa, että kosteuden siirtyminen puun sisällä tapahtuu seuraavalla tavalla:

1. Puun pinnalla oleva vapaa vesi ja solujen sisällä oleva vesi haihtuvat kokonaan.
2. Sisäsoluissa oleva vapaa vesi siirtyy kapillaareja pitkin kohti pintaa.
3. Pinnalle tarttunut vesi eli huokosissa oleva vesi haihtuu myös, jolloin pintakosteus laskee kuidun kyllästymispisteen alapuolelle.
4. Puun kosteus on korkeampi sisemmissä kerroksissa kuin pinnalla, jolloin kosteuspitoisuus vaihtelee sisältä ulospäin.
5. Kosteusgradientin vuoksi puun sisällä oleva kosteus siirtyy korkeamman kosteuspitoisuuden alueilta matalamman kosteuspitoisuuden alueille.

GlobalQT on omistautunut hiilikuituisten sähkölämmitysputkien valmistukseen ja tutkimukseen. Lisätietoja saat vierailemalla osoitteessa verkkosivusto tai ota yhteyttä sähköpostitse osoitteeseen contact@globalquartztube.com.