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Description / Table of Contents: Zusammenfassung Diffusion tritt in einem porigen quellfähigen Material, wie z. B. Holz, auf, und zwar je nach Art des unterschiedlichen Materialgefüges mit drei verschiedenen Gradienten-Typen. Diffusion eines gelösten Stoffes kann aufgrund eines Konzentrationsgefälles durch die mikroskopisch sichtbaren, mit Lösung gefüllten Hohlräume des Gefüges hindrurch stattfinden, ohne Rücksicht darauf, ob die Lösung das Holz zum Quellen bringt. Bringt sie das Holz zum Quellen, so kann eine zusätzliche Diffusion durch den bis dahin gebundenen Teil der Flüssigkeit stattfinden. Die Diffusion nichtquellender Gase und Dämpfe ist auf die mikroskopisch sichtbaren Hohlräume beschränkt. Sie entsteht durch das Dampfdruckgefälle. Gebundene, quellende Flüssigkeiten können durch Zellwände diffundieren, wenn ein Gefälle gegen die gebundene Flüssigkeit entsteht. Ebenso besteht die Möglichkeit, daß eine kontinuierliche Dampfdiffusion durch die grobe Kapillarstruktur hindurch gleichzeitig mit einer kontinuierlichen Diffusion des gebundenen Flüssigkeitsanteils durch die Zellwand hindurch stattfindet. Beide Erscheinungen können auch in hintereinander folgender Kombination auftreten. Dies setz die Kondensation des Dampfes an der Zellwand nach Durchströmen eines Hohlraumes aufgrund eines Druckgefälles voraus, gefolgt vom Durchtritt durch die Zellwand aufgrund des Gefälles gegen den gebundenen Flüssigkeitsanteil und anschließende neuerliche Verdampfung in den nächsten Hohlraum hinein. Diese komplexen Kombinationen von Diffusionswegen bei jeweils unterschiedlichen Gefällebedingungen wurden analysiert unter der Annahme einer Analogie zwischen Diffusion und elektrischer Leitfähigkeit, wobei parallelgeschaltete Leitfähigkeiten als additiv und reziproke Leitfähigkeiten, d. h. Widerstände, hintereinandergeschaltet als ebenfalls additiv gelten. Es ist auf diese Weise möglich, Querschnitte und Längen der verschiedenen Diffusionswege zusammen mit gesondert bestimmten Diffusionskoeffizienten auf einfachere Systeme in Parallel-oder Serienanordnung zu übertragen, um dadurch theoretisch ermittelte, kombinierte, effektive Diffusionskoeffizienten zu erhalten. Bei der Diffusion durch Holz können entweder alle der sechs in Gl. (16) aufgeführten Konstanten oder nur ein Teil von ihnen beteiligt sein. Inden Fällen, bei denen ein gelöster Stoff durch Holz diffundiert, das mit einem quellenden Lösungsmittel gesättigt ist, sind alle Konstanten beteiligt. Die Auflösung der Gleichung für die Diffusion in Faserrichtung zeigt aber, daß der anteilige Querschnitt des Faserhohlraumes nahezu vollständig die Diffusionsgesch windigkeit bestimmt, wogegen bei der Diffusion in den Querrichtungen die Geschwindigkeit weitgehend durch die verbindenden Gefügeteile in dieser Richtung geregelt wird. Diese Erwägungen stehen in Übereinstimmung mit experimentellen Diffusions- und elektrischen Leitfähigkeits-messungen, aus denen sich Diffusionskoeffizienten errechnen lassen, die jenen entsprechen, die für die Diffusion eines gelösten Stoffes im reinen Lösungsmittel zutreffen, was dem anteiligen Querschnitt eines Faserhohlraumes, korrigiert hinsichtlich der spitz zulaufenden Faserenden, gleichzusetzen ist. Die experimentell ermittelten Diffusionskoeffizienten, entsprechend jenen für das reine Lösungsmittel und für Querdiffusion, bewegten sich zwischen 0,01 und 0,06, die elektrischen Leitfähigkeitszahlen liegen im Vergleich dazu zwischen 0,02 und 0,033; schließlich ergibt sich ein theoretischer Wert von 0,0445 für einen vergleichbaren Dichtebereich. Die entsprechenden Diffusionskoeffizienten für die Diffusion eines gelösten Stoffes durch Holz, das mit einem nichtquellenden Lösungsmittel gesättigt ist, liegen niedriger, weil die Konstanten C a , C e und C c in Gl.(6) Null werden. Sie entfallen ebenso bei der Diffusion von Gasen und nichtquellenden Dämpfen durch Holz. Wird die gesamte Diffusion als freie Dampfdiffusion betrachtet, so erreichen die theoretischen Werte etwa das 30fache der experimentell ermittelten Werte für die Querdiffusion von Kohlendioxyd, allerdings nur das zweifache der experimentellen Werte für die Längsdiffusion. Sofern man sich entschließt, die eben erwähnten Unterschiede gänzlich auf die durch die Tüpfelmembranöffnungen behinderte Diffusion zurückzuführen, so erhält man Koeffizienten der behinderten Diffusion, die 1/40 und 1/30 der freien Diffusion betragen. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß viele der in Rechnung gestellten Öffnungen kleiner sind als der angenommene mittlere Durchtrittsquerschnitt. Messungen zur Diffusion des gebundenen Wassers in die Holzsubstanz wurden in der Weise durchgeführt, daß man die Hohlräume des Holzes mit einem leicht schmelzenden Metall füllte, das sich bei der Verfestigung nur sehr wenig ausdehnt. Die erhaltenen Werte schwanken nur wenig zwischen den einzelnen Holzarten und erweisen sich als unabhängig von der Dichte des Holzes, da die E-Werte der Gl. (14) die Dichte in Rechnung stellen. Die Diffusionswerte in Faserrichtung betragen etwa das zweifache jener in Radialrichtung und das dreifache jener in Tagentialrichtung. Die Diffusionskeoffizienten wachsen mit steigender Temperatur proportional zum Dampfdruck des Wassers an. Dies gibt einen Hinweis darauf, daß die Diffusion gebundenen Wassers eher den Charakter einer molekularen Erscheinung hat, die ihrerseits eine Reihe von einfachen molekularen Verbindungsschritten einschließt, als denjenigen der Bewegung einer Flüssigkeitsmasse. Diese Vorgänge besitzen also Ähnlichkeit mit der schon früher beobachteten und geschilderten Diffusion verschiedener gebundener Flüssigkeiten durch Polymere [Bagley, Long 1955]. Unter der Bedingung, daß die Bewegungsgesch windigkeit durch Diffusion gesteuert wird, wachsen die Diffusionskoeffizienten ebenfalls exponentiell mit dem Anstieg des Feuchtigkeitsgehaltes. Alle der möglichen Diffusionswege durch das Holz sind sowohl bei ruhender und dynamischer Diffusion wirksam. Die allgemeine Gleichung (6) wird zur Gl. (17), welche die freie Dampfdiffusion, die behinderte Dampfdiffusion und die Duffusion gebundenen Wassers einschließt. Der Logarithmus des theoretisch errechneten Diffusionskoeffizienten ändert sich im umgekehreten Sinne mit dem reziproken Wert der absoluten Temperature bei einer gegebenen Dichte, was darauf hinweist, daß an dem Vorgang eine konstante Aktivierungsenergie beteiligt ist. Experimentelle Diffusionskoeffizienten, die mit Hilfe des Feuchtigkeitsgefälles, des Fauchtigkeitsgleichgewichts und der Trocknungsgeschwindigkeit errechnet wurden, ergeben Werte, die nur wenig unter den theoretischen Werten liegen, soferndiese auf die gleiche Dichte korrigiert wurden. Korrigiert man ferner die Trocknungstemperturen, und zwar von den Kammertemperaturen auf die tatsächlichen Trocknungstemperaturen, so wird die Übereinstimmung der Werte nochmals verbessert. Die Tatsache, daß die experimentell mit Hilfe der Trocknungsgeschwindigkeit bestimmten Werte gut mit den Feuchtigkeits-Gleichgewichtswerten übereinstimmen, gibt einen deutlichen Hinweis darauf, daß die Messungen der Trocknungsgeschwindigkeit durch die Diffusion bestimmt sind. Die hier angegebenen Beweise zeigen ziemlich klar die Komplexität der Flüssigkeitsbewegung in Holz auf und lassen jene Gebiete erkennen, in denen weitere experimentelle Forschung sinnvoll erscheint.

Description / Table of Contents: Zusammenfassung Die bekannten Bedingungen für die Sorption und Quellung von Holz werden erörtert. Sie sind auf Nadelholz unter Anwendung des folgenden, vereinfachten Modells anwendbar. Die Fasern sind durchgehend und haben rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt, mit Zellhohlräumen gleicher Form und konstanter Größe. Die Faserwände bestehen aus konzentrisch angeordneten Schichten, die wiederum aus kleinen, sich wiederholenden 100 Å×100 Å großen Einheiten zusammengesetzt sind; diese wiederum bestehen aus einem mikrokristallinen Kern, umgeben von einer amorphen Auflagerung. Alle Sorptions- und Quellungsvorgänge finden an der Oberfläche oder innerhalb dieser amorphen Auflagerung statt; sie spielen sich in der Hauptsache in der Schicht selbst ab (inter-laminar), jedoch findet genügend Zwischenschicht-Sorption und-Quellung (intra-laminar) statt, um Verformungen der Schichten zu vermeiden. Durch Berechnung erhält man die allgemein anerkannte Größe der inneren Sorptionsfläche für Wasser von etwa 200 m2/g. Der Anteil der intra-laminaren Sorption an der Gesamtsorption schwankt zwischen 5 und 20% bei Holz mit Rohdichten von 0.3 bis 1.0. Die Schichtdicke der sorbierten Wassermoleküle je Sorptionsstelle liegt für inter-laminare Sorption zwischen 6.1 und 4.9, und für intra-laminare Sorption zwischen 0.35 und 1.35 bei Holz mit Rohdichten zwischen 0.3 bis 1.0. Ähnliche Werte ergaben sich aus experimentell ermittelten Quellungsdaten bei Zellhohlräumen mit sich änderndem Querschnitt. Vergleichbare Berechnungen der Super-Quellung des Holzes und des Zellstoffes zeigen, daß laminare Abtrennungen so groß werden können, daß sie mikroskopisch sichtbar werden. Sie zeigen ferner, daß die Fasersättigungspunkte bei gebundenem Wasser meist zwischen 25 und 40% liegen. Extrem gequollenes Holz, chemisch herausgelöste und gemahlene Fasern können aufgrund verringerter Behinderung Fasersättigungspunkte über 150% erreichen. Diese letztere Erscheinung ist eher den Dispersions- oder Diffusionskräften zuzuschreiben als den Kräften aus Wasserstoffbrücken des gebundenen Wassers im intakten Holz.