Analýza vlivu elektromagnetických vln na vysychání dřeva a na rozložení vlhkostního pole

Úvod

Dřevo bylo, je a bude nedílnou součástí lidského života. Dřevo má široké uplatnění. Používá se nejen na stavby jako konstrukční stavební materiál, ale také jej lze použít jako dekoraci například jako dřevěné obklady, které lze využít například na fasády. Obvykle se dřevo používá u menších stavem. V dnešní době se ve střední Evropě dřevo stále více používá jako konstrukční materiál i na velké stavby pro nosné konstrukční části, například rámové konstrukce. Vznikají rozměrné haly s velkými rozpony, k čemu mimo jiné pomáhá studium mechanického elastického chování dřeva. Dřevo je anizotropní materiál [1], které se chová rozdílně ve všech třech přírodních směrech. U dřeva se rozlišují směry podélný (L), příčný (R) a tečný (T) [2]. Dřevo patří mezi materiály, které jsou hygroskopické [3], to znamená, že dokáže z okolního prostředí odnímat vlhkost případně dotovat sušší prostředí svojí akumulovanou vlhkostí. Tento děj se hodně kvituje u masivních dřevostaveb, protože se v interiéru udržuje velice příjemné klima pro člověka. Stavební vlhkost dřeva se pohybuje od 10 do 12 % relativní vlhkosti [2]. V případě, že bude dřevo vystaveno vlhkému prostředí, bude přijímat vlhkost a bude se zvyšovat jeho relativní vlhkost, aby došlo k ustálenému stavu. Struktura dřeva by se jednoduše dala přirovnat k houbě, která je tvořená soustavou kapilár a dutin [4], kde může být vzduch nebo také voda. Velikost kapilár ovlivňuje jak snadno a jak vysoko voda vystoupá [5]. Se zvyšující se relativní vlhkostí dřeva dochází ke změnám mechanicko-elastických vlastností [6], [12]. Čím vyšší bude obsah vody ve dřevě, tím bude dřevo náchylnější na poškození biotickými činiteli [7]. Jedním ze způsobů, kterým lze dřevo vysoušet je požití mikrovlnného záření [8]. Mikrovlnné záření způsobí, že molekuly vody ve dřevě se průchodem elektromagnetický vln rozkmitají a tím se zvýší jejích teplota a dojde k postupnému odparu [9]. Pro zkoušky byly vybrány dřevěné vzorky borovice černé (Pinus sylvestris L.). Tato dřevina je velice rozšířená po celém světě a je i hlavní součástí nejen českých biotopů.

Metody a materiál

Pro experiment bylo vyrobeno 25 kusů vzorků z borovice černé (Pinus sylvestris L.) o rozměrech 25 × 25 × 100 mm. Pro měření vlhkosti dřeva lze použít dva typy metod. První metoda přímá tzv. gravimetrická [5], [10]. Její podstatou je určení vlhkosti z hmotnosti vzorku. Vlhkost absolutní w_ABS se vypočítá dle vztahu (1) [6]. Vlhkost relativní w_REL se určí ze vztahu (2) [6]. Do obou vztahů (1) a (2) je potřeba určit m_s – hmotnost suchého vzorku. Hmotnost suchého vzorku ze dřeva lze dosáhnout stabilizací při teplotě 103 °C ± 2 °C [6]. Vzorek lze prohlásit za stabilizovaný, když rozdíl dvou po sobě následujících měření bude maximálně 0,02 g [6]. Hmotnost vlhkého vzorku je m_v, za tuto hodnotu se dosadí hmotnost měřeného vzorku. Gravimetrickou metodu lze použít jen do vlhkosti vzorku 95 % [5] nad touto hodnotou je gravimetrická metoda nepřesná.

Druhá metoda je nepřímá, ty jsou založené na určení vlhkosti přes využití jiných vlastností dřeva, které jsou závislé na změně vlhkosti. Nejčastěji se měří tzv. vpichovými vlhkoměry, které měří odpor procházejícího proudu mezi hroty, kde jeden hrot je katoda a druhý je anoda.

Z obou zmíněných metod je přesnější gravimetrická metoda a z tohoto důvodu byla vybrána pro experiment. Vpichové vlhkoměry byly použity jen orientačně.

K vysušení byla použita sušárna Memmert UN 30, kde byla nastavena teplota na 103 °C. Hmotnost vzorků byla kontrolována na laboratorní analytické váze KERN. Když dojde ke stabilizaci vzorků [6] lze stanovit hodnotu hmotnosti suchého vzorku m_s.

(1) [%]

(2) [%]

Obrázek č. 1 – mikrovlnný generátor

Na vysušení vzorků bylo použité mikrovlnné záření. Mikrovlnné záření je termín, který se používá pro elektromagnetické vlnění o určité frekvenci. Pro průmyslové užití je stanovena frekvence pro mikrovlnné vysoušení na hodnotu 2,45 GHz [11] a vlnovou délku 12,2 cm [11]. Pro experiment byl použit přenosný generátor mikrovlnného záření Romill G1/2011 [13]. Schéma průběhu této části experimentu je vidět na obrázku č. 1. Přístroj je napájen 230 V s frekvencí 50 Hz. Výkon generátoru je 1500 W. Při mikrovlnné frekvenci 2,45 GHz je maximální výkon 1000 W. Tento výkon je neregulovatelný.

Na začátku experimentu byly vzorky umístěny do sušárny, kde probíhalo vysoušení k získání hmotnosti suchého stavu vzorku m_s. Vážení probíhalo v jednodenním intervalu. Na základě zpracované metodiky přemisťování vzorků v průběhu vysoušecího cyklu docházelo k pravidelnému přemisťování vzorků na různé pozice v sušárně, aby byla vyloučena systematická chyba při sušení. Když se rozdílná hmotnost blížila stanovenému limitu 0,02 g dle [6], tak kontrolní vážení probíhalo po dvou hodinách, jak udává [6]. Po splnění podmínky [6] byly vzorky vyňaty ze sušárny a byla zaznamenána jejich suchá hmotnost m_s.

Po vysoušení vzorků pokračoval experiment zvlhčováním vzorků na hodnotu maximálně 95 %. Zvlhčování probíhalo ve vodní lázni, tak jak je schematicky znázorněno na obrázku č. 2. Vzorky byly umístěny na rošt, aby nebyly v kontaktu s nádobou. Tento rošt také zajišťoval, aby byly ze všech stran rovnoměrně smáčeny vodou. Na roštu byly vzorky umístěny do jedné vrstvy s dostatečnými mezerami mezi sebou. Zabránění vyplavání vzorků z nádoby bylo zajištěno dalším roštem, který byl umístěn nad vzorky. Po celé instalaci byl prostor vzorků zatopen vodou nad úroveň horní hranice mřížky. Vzorky byly cyklicky kontrolovány každý den, z nádoby byly vyjmuty všechny vzorky a měřila se jejich hmotnost. Před samotným zvážením byly vzorky osušeny od povrchové vody. Po zvážení všech vzorků byla opět připravena mřížka, na kterou se vzorky umístily. Při návratu vzorků byla použita metodika na přemisťování vzorků. Vzorky byly přitíženy horní mřížkou a nádoba byla zalita vodou. V době, kdy vzorky dosáhly relativní vlhkosti 95 %, byl proces zvlhčování ukončen.

Obrázek č. 2 – Zvlhčovací nádoba

Poslední fáze experimentu spočívala ve vysušení vzorků pomocí mikrovlnného záření. Stanovená hodnota, při které bude experiment ukončen, bylo 5 % relativní vlhkosti vzorku. V této fázi se testovaly doby cyklu ozařování a potřebná doba na vysoušení na stanovenou mez. Úkolem bylo nalézt ideální délku vysoušecího cyklu, aby nedocházelo k výrazným výsušným trhlinám. Pro sledování byly zvoleny vysoušecí cykly 3, 6, 9, 12 a 15 minut. V průběhu jedno ozařovacího cyklu byly vzorky vystaveny elektromagnetickému vysoušení po zvolenou dobu. Následně byly vzorky přemístěny na rošt, kde probíhala relaxace. V tomto čase se ze vzorků uvolňovala vodní pára. Další ozařovací cyklus proběhl za 24 hodin.

Výsledky

Ke stabilizaci všech vzorků došlo po 13 dnech. Došlo k zaznamenání hmotnosti suchého vzorku m_s u všech zkušebních vzorků. Kontrolně byla ověřena vlhkost vpichovými vlhkoměry, ale vlhkoměry nezobrazovaly žádnou hodnotu, došlo k překročení měřícího rozsahu vpichového vlhkoměru. Výrobce udával minimální hodnotu 6 %.

Zvlhčovací fáze experimentu probíhala 35 dní. Postupně byly zapisovány hodnoty vlhkého vzorku m_v a byla z nich počítána vlhkost, aby bylo zřejmé, kdy může být experiment ukončen. Výsledné hodnoty jsou zobrazeny na obrázku č. 3. Jsou zde zobrazeny pouze hodnoty pěti vybraných vzorků pro snadnější orientaci. Vzorek číslo 25 byl nejvíce zvlhčen, naopak vzorek 17 přijímal vlhkost nejpomaleji. V grafu je patrné velice rozdílné první měření, tyto rozdíly jsou patrné v průběhu i na konci měření experimentu. Výsledky byly proloženy polynomem čtvrtého řádu, který nejvíce popisoval trend vývoje výsledků. Byly vypočítány korelační koeficienty, které se pohybují od 0,979 do 0,997. Lze tedy předpokládat, že jsou výsledné hodnoty závislé. Dokazuje to také, že zůstanou stále v podobném odstupu a nepotkají se v jednom bodě se stejnou vlhkostí. V obrázku č. 3 je také vidět, jak rozdílně vstupuje voda do vzorku. V první části zvlhčování do 11. dne vlhkost stoupala strměji a v hodnotách od 55 % do hodnoty 87 % absolutní vlhkosti v závislosti na vzorku došlo ke snížení schopnosti přijmout více vody.

Obrázek č. 3 – Vlhkost vzorků v průběhu zvlhčování

Pro závěrečný experiment bylo potřeba připravit pět skupin se vzorky, aby jejich průměrná vlhkost byla co nejvíce podobná ostatním skupinám. Vzorky byly rozděleny podle tabulky č. 1 do pěti skupin s označením A až E. V tabulce č. 1 jsou uvedené výsledné průměry každé skupiny a její odchylka od průměrné vlhkosti počítané ze všech vzorků.

Jak je z tabulky č. 2 patrné, tak průměrná vlhkost všech vzorků byla 87,108 % a největší odchylka od průměru byla 2,057 %.

Podle tabulky č. 2 byly jednotlivým skupinám přiřazeny časy, po který byly vystaveny mikrovlnnému záření. Skupina A byla vystavena 3 minuty, skupina B 6 minut, skupina C 9 minut, skupina D 12 minut a skupina E 15 minut. Následně byly vzorky po jednotlivých skupinách vkládány pod generátor mikrovlnného záření a byly vystaveny elektromagnetickém záření po dobu, která jim byla určena. Po tomto cyklu byly vzorky umístěny do místnosti s teplotou 20 °C ± 2 °C a s relativní vlhkostí 60 % ± 5 %. V této místnosti probíhala relaxace vzorků. Na obrázcích č. 4 až 8 jsou vidět termogramy pro jednotlivé skupiny po elektromagnetickém ozáření. V pravé části obrázku je vidět stupnice s minimální a maximální změřenou teplotou. V levé horní části snímku je teplota vztažená k záměrnému kříži, který byl měřen na prostředním vzorku.

Obrázek č. 4 – 3 min

Obrázek č. 5 – 6 min

Obrázek č. 6 – 9 min

Obrázek č. 7 – 12 min

Obrázek č. 8 – 15 min

V obrázku číslo 9 jsou znázorněny výsledné hodnoty vlhkosti jednotlivých skupin. Na stanovenou hodnotu 5 % relativní vlhkosti, kdy bude experiment pro skupinu ukončen. Této hodnoty dostáhla skupina E, která byla vysoušena 15 minut za 12 cyklů a skupina D, která byla ozařována 12 minut až po 21 cyklech. Další skupiny A, B a C se k této hodnotě nedostaly. Měření bylo ukončeno po 22 cyklech, kdy se skupiny A, B a C již neztrácely další vlhkost.

Obrázek č. 9 – Vlhkost vzorků v průběhu vysoušení

V experimentu byly pozorovány makroskopické změny na povrchu jednotlivých vzorků, které byly převážně orientovány v radiálním směru. Všechny skupiny vzorků A–E obsahovaly viditelné výsušné trhliny kolmo na vlákna. Toto poškození je vidět na obr č. 10. Dále byly objevena i trhliny v tečném směru, ta je vidět na obrázku č. 11. Bylo předpokládáno, že největší poškození bude u skupiny E [14], která byla vystavena nejdelší době ozařování, a tudíž bude více namáhána na prostup vodní páry a tím by měly vzniknout velké trhliny. To se v tomto experimentu nepotvrdilo. Největší poškození je vidět na obrázku č. 11. Tento vzorek je ze skupiny C, která byla ozařována jen 9 minut.

Obrázek č. 10 – Poškození v radiálním směru

Obrázek č. 11 – Poškození v tečném směru

Závěr

Na zkušebních vzorcích ze dřeva borovice černé (Pinus sylvestris L.) bylo provedeno vysušení v sušárně, aby byla stanovena hmotnost suchého vzorku m_s. Tato hodnota byla vstupní veličinou, ze které lze stanovit relativní nebo absolutní vlhkost. Byla vypracována metodika pro přemisťování vzorků, která se při experimentu osvědčila, bylo tím dokázáno, že při každé výměně se pozice jednotlivých vzorků změnila, tak aby nebyl nikdy stejný na stejném místě, tím byla vyloučena chybovost. Toto řešení bylo zvláště důležité při ozařování mikrovlnnými vlnami, kde bylo důležité měnit pořadí, z důvodů neměnné polohy vysílací antény. V tomto případě se jednalo o centrickou anténu, kde byla největší intenzita ve středu. Výsledkem toho experimentu je tvrzení, že v případě, kdy je potřeba snížit relativní vlhkost dřevěného vzorku pod hodnotu 5 % relativní vlhkosti je potřeba vzorek ozařovat v cyklech minimálně 12 minut. Nedošlo k průkaznému poškození vzorků, které byly podrobeny delšímu cyklu vysoušení.

Poděkování

Článek byl spolufinancován juniorským specifickým výzkumem FAST-J-18-5566 a standartním specifickým výzkumem FAST-S-18-5536.

Literatura

1. KOLEKTIV AUTORŮ. Dřevařská technická příručka. Praha: MÍR, novinářské závody, n. p., 1970. ISBN 04-821-70.
2. POŽGAJ, A. CHOVANEC, D. KURJATKO, S. BABIAK, M.; Štruktúra a vlastnosti dreva, Bratislava, 1997, 488 s., ISBN 80-07-00960-4.
3. FORTINO, Stefania, Andrea GENOESE, Alessandra GENOESE a Lauri RAUTKARI. FEM simulation of the hygro-thermal behaviour of wood under surface densification at high temperature. Springer. 2013, 2013(48), 10. DOI: 10.1007. ISSN 10853-013-7577-1.
4. MARTÍNEK R. Anatomická stavba dřeva kmene borovice lesní (Pinus sylvestris L.) s odkrytým kořenovým systémem., bakalářská práce MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lesnická a dřevařská fakulta. 2011.
5. KRUS, M.; Kiessl, K.; DETERMINATION OF THE MOISTURE STORAGE CHARACTERISTICS OF POROUS CAPILLARY ACTIVE MATERIALS, MATERIALS AND STRUCTURES, ISSN 1871-6873, Kluwer Academic Publishers, 1998.
6. HORÁČEK, P.; FYZIKÁLNÍ A MECHANICKÉ VLASTNOSTI DŘEVA I. BRNO, MZLU V BRNĚ, 1998, 128 s., ISBN 80-7157-347-7.
7. MAKOVÍNY, Ivan, Ladislav REINPRECHT, Monika TEREBESYOVÁ, Pavel ŠMÍRA, Anna SOUČKOVÁ a Ľubomír PAVLÍK. CONTROL OF HOUSE LONGHORN BEETLE (HYLOTRUPES BAJULUS) LARVAE BY MICROWAVE HEATING. Wood research. Bratislava, 2012, 57(2), 179–188. ISSN 1336-4561.
8. RATTANADECHO, P. The simulation of microwave heating of wood using a rectangular wave guide: Influence of frequency and sample size. Chemical engineering sciece. 2006, 61(14), 4798–4811. ISSN 0009-2509.
9. HALLIDAY, D., RESNICK, R., WALKER, J., 2000: PHYSICS-4. ELECTROMAGNETIC WAVE OPTICS -Relativita. Brno: VUTIUM, 1278 pp., ISBN 80-214-1868-0. (In Czech).
10. MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ. WWW.MENDELU.CZ. [online]. [cit. 2015-12-22]. Dostupné z:
    https://is.mendelu.cz/eknihovna/opory/zobraz_cast.pl?cast=9177;lang=cz
11. NASSWETTROVÁ, Andrea, Květoslav NIKL, Jiří ZEJDA a Jan KLEPÁRNÍK. THE ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF HIGHFREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELD HOMOGENEITY BY MECHANICAL HOMOGENIZERS WITHIN THE SPACE OF WOOD MICROWAVE HEATING DEVICE. Wood research. Bratislava, 2013, 58(1), 11–24. ISSN 1336-4561.
12. BALTRUŠAITIS, A. a S. MIŠEIKYTĖ. STRENGTH AND STIFFNESS PROPERTIES OF THE LITHUANIAN GROWN SCOTS PINE (PINUS SYLVESTRIS): NON-DESTRUCTIVE TESTING METHODS VS. STATIC BENDING. Wood research. 2011, 56(2), 157–168. ISSN 1336-4561.
13. NOVOTNÝ, Miloslav, Karel ŠUHAJDA, Jindřich SOBOTKA, Jan GINTAR a Eva ŠUHAJDOVÁ. USE OF MICROWAVE RADIATION IN BUILDING INDUSTRY THROUGH APPLICATION OF WOOD ELEMENT DRYING. Wood research. Bratislava, 2014, 59(3), 389–400. ISSN 1336-4561.
14. MA, QING, ZIJIAN ZHAO, TIANLONG WANG A SONGLIN YI. EFFECTS OF MOISTURE ON DRYING RATE OF MICROEXPLOSION-PRETREATED FAST-GROWING POPLAR WOOD. Wood research. Bratislava, 2015, 60(6), 899-906. ISSN 1336-4561.