Teoria dell'evaporazione dell'umidità libera all'interno del legno e ricerca sull'essiccazione del legno con tubi di riscaldamento elettrico in fibra di carbonio

In base al modo in cui l'acqua si combina con i materiali, la scienza dell'essiccazione divide i materiali in tre categorie. La prima categoria è quella dei corpi capillari-porosi, in cui le variazioni dimensionali sono minime o inesistenti al variare dell'umidità, come il coke, il carbone, il terreno e la ghiaia. La seconda categoria è quella dei colloidi, in cui sia le dimensioni che il volume cambiano al variare dell'umidità, come la gelatina. La terza categoria è quella dei colloidi capillari e porosi, che sono più comuni e presentano caratteristiche di entrambe le categorie precedenti. Molti oggetti che incontriamo quotidianamente, come il legno, il cuoio, i cereali, gli alimenti e le erbe medicinali, appartengono a questa categoria.

Durante l'essiccazione, il legno di Rignan è soggetto a grinze. Alla fine degli anni Cinquanta, i ricercatori ritenevano che ciò fosse dovuto allo stress da essiccazione, in cui il ritiro superficiale era maggiore di quello interno nelle fasi iniziali dell'essiccazione, con conseguente stress all'interno del legno che provocava la formazione di grinze nel prodotto finale. Tuttavia, ulteriori ricerche hanno rivelato che le grinze non sono dovute allo stress macroscopico da essiccazione, ma piuttosto alla tensione capillare microscopica. Le grinze si verificano quando la tensione capillare supera la resistenza alla compressione trasversale. Ad esempio, il limite di resistenza alla compressione di una certa specie di legno allo stato verde (umido) è di 3,59 MPa. Le rughe possono verificarsi se il raggio dei pori è inferiore a 0,04 μm. Pertanto, è fondamentale comprendere l'improvvisa comparsa di tensione capillare all'interno del legno, dovuta all'espulsione di acqua capillare di grandi dimensioni durante l'essiccazione.

Il modello di evaporazione dell'umidità libera all'interno del legno è piuttosto noioso, quindi non lo approfondirò in questa sede. Parliamo invece del meccanismo di formazione delle rughe durante l'essiccazione del legno. Durante l'espulsione dell'umidità libera all'interno del legno, è necessario utilizzare basse temperature nelle fasi iniziali dell'essiccazione. Questo spiega perché in genere lasciamo che il legno si asciughi naturalmente all'aria fino a un certo punto prima di metterlo nei forni di essiccazione. Il legno umido non dovrebbe essere messo direttamente nei forni di essiccazione, perché potrebbe causare crepe e deformazioni, con conseguenti perdite. Il motivo delle fessurazioni e delle deformazioni è che il drenaggio dai grandi capillari avviene più rapidamente alle alte temperature, provocando un'improvvisa tensione capillare all'interno delle fibre del legno che supera la resistenza alla compressione trasversale, con conseguenti deformazioni e fessurazioni visibili del legno.

Secondo la teoria che la tensione capillare causa la formazione di grinze nel legno, la sostituzione dell'acqua all'interno del legno con liquidi con una tensione superficiale più bassa potrebbe ridurre la formazione di grinze nel legno durante l'essiccazione? I ricercatori hanno tentato di sostituire l'acqua all'interno del legno con metanolo ed etanolo, che hanno tensioni superficiali più basse, e hanno osservato un miglioramento significativo del fenomeno delle grinze durante l'essiccazione. Tuttavia, questo approccio è economicamente impraticabile per la produzione quotidiana. Tuttavia, i risultati di questa ricerca confermano che le grinze del legno sono effettivamente causate dalla tensione capillare all'interno del legno, fornendo una base teorica per i successivi sforzi di ricerca.

La verifica sperimentale rivela il seguente schema di migrazione dell'umidità all'interno del legno:

1. L'acqua libera sulla superficie del legno e l'acqua all'interno delle cellule evaporano completamente.
2. L'acqua libera nelle cellule interne migra verso la superficie lungo i capillari.
3. Anche l'acqua aderente alla superficie, cioè l'acqua nei pori, evapora, riducendo l'umidità superficiale al di sotto del punto di saturazione della fibra.
4. L'umidità all'interno del legno è maggiore negli strati interni rispetto alla superficie, creando un gradiente di umidità dall'interno all'esterno.
5. A causa del gradiente di umidità, l'umidità all'interno del legno migra dalle aree a più alto contenuto di umidità a quelle a più basso contenuto.

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