Charakterizace pórového systému dřeva pomocí rtuťové porozimetrie
Příspěvek si klade za cíl ilustrovat na několika materiálech možnost charakterizovat jejich pórový systém a kvantifikovat distribuci velikosti pórů ve dřevě a případně podnítit zájem o tuto jednoduchou a rychlou experimentální metodu.
Úvod
Celá řada prakticky významných vlastností dřeva je úzce svázána s jeho pórovým systémem. Jedná se o vlastnosti týkající se přenosu hmoty – schopnost vést kapaliny (vodu, impregnační prostředky) a plyny (vodní páru), akumulace hmoty (sorpce plynné a kapalné vlhkosti), přenosu tepla (koeficient tepelné vodivosti) nebo schopnosti akumulovat teplo (měrná tepelná kapacita). Jak plyne z poměrně komplikované stavby dřeva ( v porovnání s jinými materiály), i pórový systém dřeva je složitý. S ohledem na anatomii dřeva, jeho pórový systém je tvořen dvěma skupinami pórů. Mikropóry (mikrokapiláry) se vyskytují v buněčných stěnách. Jejich definiční průměr bývá v literatuře uváděn rozličně [1], ale může být uvažován jako menší než 0,1 μm. Podílejí se tedy na transportu látek (zejména) difuzí přes buněčné stěny. Póry/kapiláry větší jsou tvořeny lumeny jednotlivých anatomických elementů dřeva a velikostně se mohou členit na makropóry (průměr větší než několik μm) a mesopóry, jež jsou svým průměrem mezi ostatními dvěma kategoriemi. Tyto kapiláry přispívají zejména k vedení kapalin, kde hnací silou jsou kapilární síly, případně jiný tlakový gradient, ale samozřejmě i k přenosu plynů. Příspěvek si klade za cíl ilustrovat na několika materiálech možnost charakterizovat jejich pórový systém a kvantifikovat distribuci velikosti pórů ve dřevě a případně podnítit zájem o tuto jednoduchou a rychlou experimentální metodu.
Experimentální část
Byl studován pórový systém modřínu opadavého, smrku ztepilého, dubu letního a borovice lesní tuzemského původu. Objemová hmotnost byla zjišťována měřením a vážením vysušených prizmatických vzorků dřeva, hustota byla zjišťována pomocí heliového pyknometru a celková porozita byla zjištěna výpočtem z těchto experimentálně zjištěných hodnot. Distribuce velikosti pórů byla měřena pomocí rtuťového porozimetru Pascal 140/440.
Výsledky a diskuze
| modřín | smrk | dub | borovice | ||
|---|---|---|---|---|---|
| celková porozita | % | 61,4 | 69,8 | 54,4 | 68,2 |
| hustota | kg/m3 | 1520 | 1510 | 1550 | 1510 |
| objemová hmotnost | kg/m3 | 587 | 456 | 707 | 480 |
Obr. 1: Kumulativní a distribuční křivka velikosti pórů studovaných dřev
V tab. 1 jsou uvedeny základní vlastnosti zkoumaných dřev. Hustota všech dřev se pohybuje kolem „tradičně“ udávané hodnoty 1500 kg/m3, vzhledem ke stálé chemické podstatě dřeva zde nelze očekávat velké rozdíly. Objemová hmotnost a celková porozita jsou variabilnější, ze sledovaných se vymyká zejména dub, jakožto jediný zástupce tvrdých (resp. středně tvrdých) dřev.
S hodnotami celkové porozity dobře korespondují hodnoty objemu pórů zjištěné pomocí rtuťové porozimetrie (obr. 1). Z tohoto obrázku je dále zřejmé, že ve sledovaných dřevech se vyskytuje několik druhů pórů. Zejména v měkkých dřevech (v dubu pouze omezeně) se nacházejí dvě skupiny makropórů o průměru 1–10 a 10–100 μm. U jehličnatých dřev se jedná o tracheidy, u dubu pak o objemově méně významné cévy. Borovice se od ostatních dřev liší významným zastoupením mesopórů o průměru kolem 0,5 μm, který odpovídá ztenčeninám buněčných stěn. Pouze v dubovém dřevě se navíc vyskytují i mikrokapiláry o průměru kolem 0,02 μm v buněčných stěnách.
Závěr
Rtuťová porozimetrie umožňuje kvantifikovat distribuci velikosti pórů ve dřevě. Projevil se charakterový rozdíl mezi měkkým dřevem studovaných jehličnatých dřevin a středně tvrdým dřevem dubu. Výsledky představené metody by bylo možné využít např. při optimalizaci impregnačního procesu nebo při modelování přenosu hmoty a tepla dřevěnými konstrukcemi.
Poděkování
Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 - Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.
Literatura
- M. Plötze, P. Niemz. Porosity and pore size distribution of different wood types as determined by mercury intrusion porosimetry. European Journal of Wood Processing, 2011, vol. 69, p. 649–657.
Článek se zabývá vysoce aktuální problematikou – kvantifikací distribuce velikosti pórů v nejčastěji používaných dřevinách v ČR při návrhu dřevěných konstrukcí. Jedná se o dřevo smrku, modřínu, borovice a dubu. Autor článku určil laboratorně jak objemovou hmotnost a hustotu výše zmíněných dřevin, tak i celkovou porozitu. Pomocí porozimetru stanovil laboratorně průměr pórů a kumulativní a distribuční křivky velikosti pórů těchto dřevin. Autor nalezl významné rozdíly mezi jehličnatými dřevinami a dubem. Informace o možnostech metody porozimetrie uvedené v příspěvku lze využít v praktických aplikacích (optimalizace impregnování dřevin, modelování přenosu kapalin a tepla ve dřevě). Článek je po obsahové i formální stránce zpracován kvalitně přehledně a srozumitelně. Doporučuji k vydání.
The papers aims to illustrate possibility to characterize pore system of wood and to quantify its pore size distribution by mercury intrusion porosimetry as simple and fast experimental method.