Spoznali smo že, da je les higroskopski material. Poroznost oziroma prepustnost mu omogoča vpijanje vode iz zraka in shranjevanje le-te znotraj celičnih membran in celičnih lumnov.
Higroskopska narava lesa se odraža v vpijanju in oddajanju vlage, z namenom ohranjanja ravnovesne vlažnosti z okolico. Ravnovesna vlažnost je dosežena takrat, ko les ne sprejema in ne oddaja vode [27]. Na doseganje ravnovesne vlažnosti vpliva relativna vlažnost ter temperatura okoliškega zraka [28]. Les je odprt sistem, kar pomeni, da ves čas izmenjuje snovi z okolico. V primeru, ko je stopnja vlažnosti zraka različna kot v lesu, bo les absorbiral ali oddajal vlago iz zraka ali v zrak toliko časa, dokler ne bo vzpostavljeno ravnovesje [29].
V mokrih ali vlažnih pogojih les vpija vlago in nabrekne, v suhih pa oddaja vlago in se krči.
Količino vode, ki jo les vsebuje v določenem trenutku, imenujemo vlažnost [30]. Vlažnost vpliva na veliko fizikalnih in mehanskih lastnosti lesa ter posledično na njegovo uporabo [14,31].
19
Vlažnost lesa lahko izrazimo na dva načina. Prvi način imenujemo vlažnost lesa na zeleni oziroma mokri osnovi (absolutna vlažnost), drugega pa vlažnost na suhi osnovi (relativna vlažnost) [32,33].
a) Vlažnost lesa na zeleni osnovi oziroma absolutna vlažnost lesa
Pri tem načinu izrazimo vlažnost lesa kot delež skupne mase lesa, ki vključuje maso suhega lesa in maso dodatne vode. Ta način se uporablja v kemičnih predelovalnih industrijah.
Vlažnost na tej osnovi je vedno manjša od 100 %. Izračunamo jo kot 𝑥 = 𝑚𝑣
𝑚𝑣+𝑚𝑠𝑙, (15)
kjer je 𝑥 vlažnost, 𝑚𝑣 masa vode v lesu, 𝑚𝑠𝑙 pa masa popolnoma suhega lesa [32,33,34].
b) Vlažnost lesa na suhi osnovi oziroma relativna vlažnost lesa
Vlažnost lesa je pri tem načinu definirana kot delež mase suhega lesa. Če definiramo vlažnost na tak način, se lahko zgodi, da bo vlažnost večja od 100 %. To bomo dosegli v primeru zelo vlažnega kosa lesa, ko je masa vode v lesu večja od mase suhega lesa. Ta način se pogosteje uporablja za masivne lesne izdelke vseh vrst, kot so furnir, vezane plošče, iverne plošče ter ostale ploščate izdelke. Kadar nas zanima spreminjanje vlažnosti, je tak način videti bolj primeren, saj imenovalec ostaja ves čas enak, spreminja pa se zgolj števec [32,33]. Relativno vlažnost lesa izračunamo kot [34,35]
𝑢 = 𝑚𝑣
𝑚𝑠𝑙. (16)
Relativna vlažnost svežega lesa lahko v splošnem zavzame vrednosti od 25 % do 250 %. V svežem lesu iglavcev je vlažnost beljave običajno večja od vlažnosti jedrovine, pri listavcih pa je ta razlika povsem odvisna od posamezne vrste [14].
Oba načina določanja vlažnosti sta primerna in se ju pogosto uporablja [32]. V nalogi vse vlažnosti podajamo v skladu z enačbo (16) in zato se beseda 'vlažnost' v nadaljevanju vedno nanaša na 'relativno vlažnost', izračunano po enačbi (16).
2.4.1 Metode merjenja vlažnosti
Metode merjenja vlažnosti delimo v dve skupini. V prvi skupini so metode, ki delujejo na principu odstranjevanja vlage in nato merjenja mase le-te. Takemu načinu določanja vlažnosti
20
pravimo neposredni, zato se tudi imenujejo direktne oziroma neposredne metode. Sem prištevamo gravimetrično (metoda tehtanja) in destilacijsko oziroma ekstrakcijsko metodo. V drugo skupino pa uvrščamo metode, kjer najprej poteka merjenje neke vmesne spremenljivke, ki se jo nato pretvori v vlažnost. Določanje vlažnosti poteka posredno, zato jih imenujemo indirektne oziroma posredne metode. Te so kapacitivna, mikrovalovna, radiometrična, sorpcijska, spektrometrična, metoda barvne spremembe ter uporovna metoda [28,36]. V nadaljevanju predstavimo zgolj gravimetrično in uporovno metodo, ki ju uporabimo za določanje vlažnosti lesa v empiričnem delu.
Gravimetrična metoda ali metoda tehtanja
Gravimetrična metoda je med najbolj uporabljenimi in najstarejšimi metodami za določanje vlažnosti lesa [28]. Pogosto se jo uporablja za preverjanje rezultatov, dobljenih s pomočjo uporabe drugih metod, na primer z električnimi merilniki vlage [33]. Ta metoda vključuje odvzem vzorca iz lesnega elementa. Pri tem moramo biti zelo pozorni, kajti pomembno je, da vzamemo tak vzorec, ki bo v čim večji meri predstavljal celoten element, iz katerega smo vzorec vzeli. V ta namen vzorca nikoli ne vzamemo na čelu elementa, ampak vedno na neki primerni oddaljenosti od čela, katerega vlažnost se lahko precej razlikuje od preostalega dela (Slika 12).
Zatem vzorec stehtamo (𝑚𝑣𝑙). Sledi postopno sušenje v sušilnici do absolutno suhega stanja, ki ga dosežemo takrat, ko se masa vzorca ne spreminja več oziroma pri temperaturi malo nad 100 ºC. Ko dosežemo to stanje, vzorec ponovno stehtamo (𝑚0). Sledi samo še izračun absolutne ali relativne vlažnosti po enačbi (15) oziroma (16) [37].
Z gravimetrično metodo dobimo zelo natančne rezultate (v idealnih pogojih je natančnost 0,3 do 0,4 %) [28,33]. Dobljene rezultate lahko uporabimo za nastavitev indirektnih merilnikov oziroma merilne opreme. Kljub temu je to destruktivna metoda, saj zahteva odvzem vzorca, merjenje na tak način pa je tudi časovno zelo potratno (na rezultat čakamo približno 24 ur).
Celoten postopek lahko pospešimo s sušenjem v mikrovalovni pečici, vendar je tak način manj zanesljiv [33]. Napake se lahko pojavijo, če les vsebuje še veliko količino drugih hlapnih snovi poleg vode, ki izhlapi med sušenjem [33]. V tem primeru izmerimo višjo vlažnost lesa od dejanske vrednosti. To se lahko zgodi pri vrstah lesa, ki vsebujejo naravna hlapna olja ali smole, toda v praksi ta vpliv običajno ni zelo pomemben, zato ga pogosto zanemarimo [33]. Nasprotno se lahko zgodi v primeru, ko testni vzorec vsebuje veliko količino snovi, ki ne izhlapevajo med sušenjem (soli, smola, polimeri) [33]. Na končno izmerjeno vlažnost vplivajo tudi razni posegi
21
v les. Proces vrtanja med odstranjevanjem jedra lahko zaradi povečane temperature na tistem delu povzroči izhlapevanje hlapov, kar pomeni večjo naknadno izmerjeno vlažnost. Preiskave o gradientu vlage v lesnih elementih so sicer izvedljive, a precej zahtevne, saj zahtevajo ekstrakcijo (odvzemanje) in segmentacijo (drobljenje) vzorca, ne da bi pri tem vplivali na vsebnost vlage [28].
Slika 12: Odvzem vzorca na primerni oddaljenosti od čela elementa pri gravimetrični metodi [37].
Uporovna metoda in električni merilniki vlažnosti
Zaradi omenjenih slabosti gravimetrične metode so se kmalu pojavile potrebe po hitrejši, zanesljivi, ne destruktivni metodi za določanje vlažnosti, ki bi jo lahko uporabljali v običajni lesni in trgovski praksi. Ta želja je bila uresničena z razvojem prenosnih električnih merilnikov vlažnosti, ki merijo vlažnost posredno preko električnih lastnosti lesa, ki se spreminjajo prav z vlažnostjo [33]. Električni merilniki vlage merijo bodisi prevodnostne (upor), bodisi dielektrične lastnosti, ki se zelo spreminjajo z vlažnostjo pod 30 %. Na osnovi tega jih ločimo na uporovne ter dielektrične oziroma kapacitivne [38]. Za merjenje vlažnosti v empiričnem delu uporabimo dva uporovna merilnika, zato se v nadaljevanju osredotočimo zgolj na tovrstne merilnike in metodo, na kateri temelji njihovo delovanje.
Uporovna metoda temelji na merjenju upora ali prevodnosti lesa. Električni upor se zmanjšuje z naraščanjem vlažnosti, saj je voda veliko boljši prevodnik od lesa. S pomočjo te korelacije lahko določimo vlažnost lesa [28]. Uporovne merilnike razlikujemo po številu in obliki elektrod. V praksi so uveljavljeni merilniki z dvema in štirimi igelnimi elektrodami (Slika 13).
Pri slednjih, vsak pol predstavljata dve igelni elektrodi [38].
22
Slika 13: Uporovni merilnik Voltcraft z dvema igelnima elektrodama (levo) ter uporovni merilnik MD-4G s štirimi igelnimi elektrodami (desno).
Merjenje vlažnosti z uporovnimi merilniki je zelo preprosto. Elektrode merilnika zapičimo na površino lesa, pri čemer je priporočljivo, da jih usmerimo vzporedno z lesnimi vlakni, kljub temu, da se izmerjene vrednosti ne bodo veliko razlikovale od tistih, ki bi jih pridobili pri merjenju pravokotno na lesna vlakna. Merilni sistem zagotovi električni tok skozi les in določa vlažnost v odvisnosti od izmerjenega padca napetosti med elektrodami [28].
Medtem, ko teče električni tok skozi les različnih vlažnosti, lahko na mikroskopskem nivoju opazujemo različne pojave. Pri vlažnosti 0 – 20 % je število nosilcev naboja v lesu glavni dejavnik, ki vpliva na prevodni mehanizem. Pri višjih vsebnostih vlage je stopnja disociacije (razmerje med številom molekul snovi, ki razpadejo na ione in skupnim številom molekul te snovi) mnogo večja, zato gibanje ionov postane glavni dejavnik, ki določa električno prevodnost [39].
Ko skozi vlažen les teče enosmerni električni tok, pride do polarizacije. Vzrok za polarizacijo je dielektrično obnašanje molekul vode v lesu. Vsaka molekula vode ima pozitivni in negativni pol. Po določenem času izpostavljenosti električnemu polju se molekule vode obrnejo in postavijo vzporedno s silnicami električnega polja (Slika 14) [39].
23
Slika 14: Orientacija molekul vode pred (levo) in po vzpostavitvi električnega polja (desno) [39].
Električni tok teče po različnih »poteh« med elektrodama merilnika (Slika 14 desno), pri čemer ga večji del teče tam, kjer je vlažnost lesa večja, saj je tam električni upor manjši. Merilnik izmeri celoten tok med elektrodama, določi povprečje in ga po vnaprej vgrajeni funkciji pretvori v povprečno vlažnost merjenega dela. Merjenje določenega dela ali na določeni globini nam omogoča uporaba izoliranih igelnih elektrod, ki imajo le omejeno površino brez izolacije.
Nalogo elektrode tako opravlja zgolj manjši, neizoliran del, in izmerjena vlažnost je dejanska vlažnost na globini, na katero vstavimo igelne elektrode. Povprečno vlažnost izmerimo nekje med površino in sredino prečnega prereza (proizvajalci svetujejo vstavitev igelnih elektrod v območju od 1
4 do 1
3 debeline kosa lesa) [31,39].
Območje delovanja električnih merilnikov vlažnosti je od 7 % do 28 % vlažnosti lesa. Za nižje vrednosti vlažnosti (𝑢 < 7 %) specifični električni upor lesa močno naraste (Slika 15), zato so opravljene meritve v tem območju nezanesljive. Pri višjih vrednostih vlažnosti (𝑢 > 28 %), pa je specifični električni upor vedno bolj odvisen od ionov, raztopljenih v vodi v lesu, zaradi česar so meritve v tem območju ravno tako nezanesljive [39].
24
Slika 15: Graf prikazuje odvisnost električnega upora od vlažnosti. Med 7 % in 28 % vsebnosti vlage je odvisnost linearna, kar nam omogoča dokaj natančno merjenje vlažnosti na tem območju [40].
Dejavniki, ki vplivajo na natančnost električnih merilnikov
Na natančnost meritev, ki jih pridobimo z električnimi merilniki, vplivajo številni dejavniki.
Med njimi so tudi takšni, ki jih pravzaprav ne poznamo oziroma jih napačno upoštevamo. Eden takšnih dejavnikov je umeritev merilnika. To je naloga proizvajalca inštrumenta, ki mu uporabnik preprosto zaupa in sprejme umeritvene podatke. Natančnost umerjanja za posamezno vrsto lesa je uporabniku nepoznana. Poleg tega poznamo še druge dejavnike, ki pa jih uporabnik lahko kontrolira. Glavni dejavniki, ki poleg vlažnosti vplivajo na električne lastnosti lesa so:
vrsta in gostota lesa, porazdelitev vlage, temperatura, elektrodni stik, smer vlaken, kemikalije v lesu, vremenski pogoji ter spretnost uporabnika [38]. Tako veliko število dejavnikov je vsekakor ena izmed slabosti električnih merilnikov, a kljub temu je njihova uporaba najbolj razširjena. Ta se je že močno razširila v lesni industriji in gradbenih dejavnostih. Njihova prednost je, da so cenovno dostopni, prenosni, hitri ter enostavni za uporabo [32]. V nadaljevanju podrobneje predstavimo vpliv omenjenih dejavnikov na natančnost električnih uporovnih merilnikov.
25 Vrsta lesa
Vrsta lesa vpliva tako na specifični upor, kot tudi na dielektrične lastnosti lesa pri določeni vlažnosti. Specifični upor različnih vrst lesa se razlikuje zaradi drugačne strukture in koncentracije elektrolitov, dielektrične lastnosti pa zaradi drugačne gostote lesa. Ko prejmemo potrebne umeritvene podatke za posamezno vrsto, moramo narediti ustrezne popravke. Če teh podatkov nimamo, lahko uporovne merilnike uporabljamo za odčitavanje približnih vrednosti, saj so popravki zaradi vrste lesa manjši od 2 %, še posebno v primeru vlažnosti lesa pod 15 % [41].
Porazdelitev vlage
Velika vlažnost površine vzorca lesa tvori plast, kjer je specifični električni upor zelo majhen, dielektrična konstanta ter faktor izgube pa velika. V splošnem to povzroči, da električni merilniki izmerijo previsoko vlažnost. Kolikor toliko natančno povprečno vlažnost vzorca z visoko površinsko vlažnostjo bi lahko izmerili z uporovnim merilnikom, ki ima nameščene izolirane igelne elektrode. Vendar bomo v primeru stoječe proste vode na površini vzorca tudi s takšnim načinom merjenja dobili napačne rezultate [41].
Posledica neenakomerne porazdelitve vlage v vzorcu so meritve, ki se lahko zelo razlikujejo od povprečne vlažnosti. Zaradi tega je priporočljivo, da meritve nekajkrat ponovimo ter jih opravljamo 2,5 – 3 cm od robov lesa, saj je sušenje v bližini robov hitrejše [41].
Vlažnostni gradienti lesa, ki se suši, se lahko zelo razlikujejo od pričakovane oblike, na podlagi katere vemo, da bomo povprečno vlažnost izmerili z vstavitvijo elektrod na globino 1
4 do 1
3
debeline vzorca. Tega ''pravila'' za vlažnostne gradiente različnih oblik seveda ne moremo uporabljati. Drugačni vlažnostni gradienti pa ne vplivajo veliko na meritve radio-frekvenčnih merilnikov, saj ti merijo v širšem območju. Na meritve teh najbolj vplivajo plasti, ki so najbližje elektrodi [41].
Temperatura
Z naraščanjem temperature se upor zmanjšuje (Slika 16) [28]. Vpliv temperature na meritve, pridobljene z uporovnimi merilniki, ni zanemarljiv takrat, ko merimo vlažnost vzorca s temperaturo nad 32 °C ali pod 21 °C. Tedaj je potrebno narediti ustrezne popravke. Velikost
26
popravka je odvisna od temperature in vlažnosti vzorca in ga določimo s pomočjo grafa (Slika 17). V kolikor nimamo možnosti vpogleda v graf, lahko uporabimo manj natančen popravek: v primeru temperature vzorca nad 32 °C, izmerjeni vrednosti odvzamemo 1 % vlažnosti za vsakih 11 °C nad to temperaturo, in dodamo 1 % izmerjeni vrednosti za vsakih 11 °C pod spodnjo umeritveno temperaturo 21 °C [38,41]. Profesionalni merilniki vlage omogočajo neposredno kalibracijo zaradi temperature. To zahteva predhodno določitev površinske temperature lesa z brezkontaktnimi infrardečimi merilniki temperature [28].
Slika 16: Vpliv temperature in lesne vlažnosti na upor lesa (manjši razpon vlažnosti) [37].
27
Slika 17: Vpliv temperature in lesne vlažnosti na upor lesa (večji razpon vlažnosti) [28].
Usmerjenost vlaken
Pri uporovnih merilnikih je priporočljivo, da so elektrode usmerjene vzdolž lesnih vlaken. Vpliv usmerjenosti lesnih vlaken je zanemarljiv pod 15 % vlažnosti, nad 20 % pa je odstopanje meritev pri merjenju vzdolž in pravokotno na lesna vlakna lahko do 2 % [38,41].
Kemikalije v lesu
Les, ki ga obdelajo s soljo z namenom večje obstojnosti in zaščite pred požari, ima v splošnem manjši upor in večjo dielektrično konstanto ter faktor izgube, kot neobdelan les pri isti vlažnosti.
Posledično bodo dobljene vrednosti vlažnosti obdelanega lesa previsoke. Napaka se povečuje z naraščanjem vlažnosti: pod 8 % je zanemarljiva, nad okoli 10 % vlažnosti pa se napaka močno poveča in jo je nemogoče odpraviti. Na meritve lahko vplivajo tudi nekatera lepila, ki so električni prevodniki in se jih uporablja v vezanih ploščah [41].
28 Vremenski pogoji
Če uporabljamo električne merilnike vlažnosti v meglenem, deževnem vremenu, ali jih premaknemo iz hladnejšega okolja v toplejše, bolj vlažno okolje, se na delih merilnika oblikujejo vlažne plasti (merilnik se orosi). Te plasti se v obliki kapljic odstranjujejo z merilnika, kar lahko v veliki meri vpliva na delovanje merilnika. Kot posledica nastopijo težave v prilagajanju in uravnavanju merilnika, napačne ali nestabilne ničelne nastavitve ter neodzivnost merilnika pri odčitavanju nizkih vlažnosti [38,41].