Rudolf Popper

Die Azylierung des Holzes—Erste Mitteilung: wasserdampf-sorptionseigenschaften

ZusammenfassungDie vorgenommenen Behandlungen bewirken im allgemeinen eine Herabsetzung der Hygroskopizität des Holzes. Die Analyse der experimentell ermittelten Sorptionsisothermen zeigt dentlich, daß man den Mechanismus der Hygroskopizitätsverminderung des Holzes für die Azetylierung und Phthalierung nicht gleichstellen kann. Der Unterschied zwischen den beiden Veresterungsvefahren macht sich besonders im unteren Dampf-druckbereich bemerkbar. Aus der Sorptionsanalyse geht hervor, daß durch die Azetylierung die sorptiv aktive Fläche des Holzes stark verkleinert wird, hingegen wird die Anzahl der Sorptionsstellen durch die Phthalierung nur unwesentlich vermindert. Die Anwendung der Hailwood-Horrobin-Modellgleichung ermöglicht eine Unterscheidung des polymolekular und monomolekular sorbierten Wassers. Danach zeigt sich, daß die Phthalierung nur einen geringen Einfluß auf die monomolekular aufgenommene Wassermenge ausübt, hingegen verursacht die Azetylierung einen bedeutenden rückgang der Sorptionskapazität der ersten Sorbatschicht. Auch die mittels der BET-Theorie für die erste Sorbatschicht berechnete Sorptionswärme unterscheidet die beiden Azylierungen klar voneinander. Ist die Bindungskraft zwischend azetyliertem Holz und Wasser schwächer als beim unbehandelten Holz, wird diese beim phthalierten Holz erhöht.Das polymolekular gebundene Wasser wird durch die beiden Behandlungen vermindert, was auf eine Wandlung der inneren Struktur des Holzes zurückzuführen ist. Aufgrund der Resultate der Porenverteilungsanalyse kann man behaupten, daß die durch die Behandlung verursachten Veränderungen der Porenstruktur des Holzes auf die Verstopfung (bulking effect) des Zellwandporenvolumens zurückzuführen sind. Das Porenvolumen des Holzes wird durch die Azylierung in unterschiedlich hohem Grade vermindert. Die verstopfung folgt der Reihe unbehandelt-azetyliert-phthaliert, was in guter Übereinstimmung mit der Molekülgröße der Hydroxyl-Azetyl- und Phthalylgruppe steht.Die Verminderung der Hygroskopizität des Holzes durch die Azylierung ist grundsätzlich von der Verstopfung der Porenstruktur und der änderung des hydrophilen Charakters der eingebrachten Azylgruppen abhängig. Diese beiden Faktoren werden sich in ihrer Auswirkung auf die Herabsetzung der Hygroskopizität bei der Azetylierung miteinander ergänzen, bei der Phthalierung hingegen wirken die beiden Faktoren gegeneinander.SummaryThe treatments described in this paper generally lead to a decrease in the hygroscopicity of wood. The experimental analysis of the sorption isotherms shows clearly that acetylation and phthaloylation differ with regard to the mechanism of reducing the sorption capacity. Both methods of esterification differ particularly in the lower range of relative humidity. The sorption analysis shows that acetylation causes a strong reduction in the active surface of wood; the number of sorption sites of pathaloylated wood, however, is only slightly reduced. The Hailwood-Horrobin model equation permits to analyze the difference between monomolecular and polymolecular sorption. Phthaloylation has only little influence on the amount of monomolecullarly adsorbed water. Acetylation, however, causes a remarkable reduction in the sorption capacity of the primarily adsorbed layer. According to the heat of sorption calculated for the monolayer by using the BET-theory it appears that the binding energy between acetylated wood and water is lower than with untreated wood; phthaloylation increases the binding forces. Both treatments lead to a decrease in water sorption in the polymolecular layer. This phenomenon is due to changes in the pore structure of wood. An analysis of the pore size distribution reveals that these changes result from the bulking effect in the cell wall pores. The degree of this bulking effect varies from untreated to acetylated to phthaloylated wood. This is in good agreement with the molecular size of hydroxyl-acetyl and phthaloyl groups. The decrease in the hygroscopicity of wood due to esterification depends generally on the bulking effect and on the change in the hydrophilic nature of acyl groups. As to acetylation the effect of these phenomena on the descrase in hygroscopicity is additive, as to phthaloylation it is antagonistic.

Die Acylierung des Holzes:—Zweite Mitteilung: Thermodynamik der Wasserdampfsorption

ZusammenfassungAus den Sorptionsdaten von unbehandelten und acylierten Tannen-Früh-und Spätholzproben wurden thermodynamische Größen berechnet. Die ermittelten differentiellen Entropieänderungen wurden mit jenen verglichen, die auf Grund eines lokalisierten und mobilen Sorptions-Modells nach Gesetzen der statistischen Thermodynamik berechnet wurden. Demnach kann man bei niedrigen Oberflächen-Belegungen eine lokalisierte Sorption für das unbehandelte und acylierte Holz annehmen. Die Ergebnisse lassen vermuten, daß die monomolekulare Füllung beim unbehandelten und azetylierten Holz der multimolekularen Sorption vorausgeht. Beim phthalierten Holz hingegen muß die mehrfachmolekulare Sorption einsetzen noch bevor die unimolekulare Sorption beendet ist. Mit der zunehmenden molekularen Bedeckung geht die Wasserbindung zuerst in eine bewegliche Sorption über, nimmt aber—mit Ausnahme des phthalierten Spätholzes — allmählich wieder den Charakter einer unbeweglichen Sorption an. Dies ist vermutlich auf den durch die Quellung der Fasern entstehenden Bruch von Wasserstoffbrücken und somit auf die Schaftung von neuen Sorptionsstellen zurückzuführen. Durch die Acylierung wurden weniger neue Sorptionsstellen geschaffen, was im Vergleich mit dem unbehandelten Holz eine Herabsetzung des Quellungsvermögens hervorruft. Die Änderung der freien Oberflächenenergie wurde als ein Maß der Affinität des Holzes zum Wasserdampf verwendet. Die durch die Phthalierung eingebrachten dibasischen Phthalsäure-Gruppen besitzen durch ihre Carboxylgruppen eine größere Affinität zum Wasserdampf als die alkoholischen Hydroxylgruppen des unbehandelten Holzes. Im Gegensatz dazu wird die Affinität zwischen Holz und Wasser durch die Azetylierung stark herabgesetzt. Die relative Affinität erlaubt bei azetylierten Holzproben eine Differenzierung zwischen Früh-und Spätholzzonen. Das Frühholz muß demnach bedeutend weniger Hydroxylgruppen enthalten als das Spätholz.SummaryThe differential thermodynamic functions of water vapour for untreated and acetylated early and late wood were calculated from isotherm measurements. The experimental entropy valnes were compared with the theoretical values computed for the mobile and immobile models of adsorption according to the laws of statistical thermodynamics. The observed entropy changes of untreated and acylated early and late wood in the low surface coverage regions suggest a localized adsorption. The monolayer of the untreated and acetylated wood is virtually filled in before, the multimolecular adsorption is under way. In contrary to this, the multimolecular layer of the phthaloylated wood is being for med before the primarily adsorbed layer is filled in. With the increase in the surface coverage the water molecules first undergo non-localized adsorption, but, with the exception of the phthaloylated latewood, they gradually pass into immobile adsorption. This is probably due to the swelling of the cell wall and the break-age of the hydrogen bondings, with the latter creating new sorption sites for the immobile sorption. Compared with the untreated wood, there are less sorption sites open due to acylation. This suggests that acylation decreases the swelling of wood. The change in the free surface energy was used as a measure of the affinity between water and wood. The dibasic phthaloyl groups possess greater affinity to the water than the hydroxyl groups of the untreated wood. This is probably due to the carboxyl group yielded by the phthaloylation. In contrast to this acetylation leads to a strong decrease in the affinity between water and wood. As for the acetylated wood specimens, the relative affinity permits to differentiate the hydroxyl groups of early and late wood. The hydroxyl content of the late wood is considerably higher than that of the early wood.

Untersuchungen zur Gleichgewichtsfeuchte und Quellung von Massivholzplatten

ZusammenfassungAus den Untersuchungen an mehrschichtigen Massivholzplatten aus Fichtenholz geht hervor, dass die Gleichgewichtsfeuchtigkeit im unteren hygroskopischen Bereich bis etwa 65% rel. Luftfeuchtigkeit bedeutend höher und im obersten Bereich bedeutend tiefer ist als diejenige beim Fichtenholz. Die Messungen haben gezeigt, dass die Längen- sowie die Breitenquellung gegenüber der Dickenquellung vernachlässigbar klein ist, sodass die Volumenquellung der Dickenquellung gleichgestellt werden kann. Das Quellen im Bereich zwischen 0% und etwa 20% Wassergehalt ist nahezu linear. Diese Beziehung korreliert mit der Sorptionsisotherme. Die Quellung steigt linear mit der Anzahl Leimschichten pro Plattendicke, wobei die Steigung der Geraden vom Bereich der Chemi- über die Physisorption bis zum Bereich der Kapillarkondensation stetig ansteigt.AbstractThe investigations on multilayer solid spruce wood panels showed that the equilibrium moisture content in the hygroscopic range until 65% relative humidity is significantly higher and in the upper range lower than in spruce wood. From these measurements it is concluded that the length- and the width swelling are negligibly small in relation to the thickness swelling, so that the thickness swelling can be set equal to the volume swelling. Swelling within the range between 0% and about 20% moisture content is almost linear and the relationship between swelling and relative humidity corresponds approximately to the shape of the sorption isotherm. The swelling increases linear with the number of adhesive layers per panel thickness, whereby slope of the straight lines rises constantly from the range of the chemo- over the physisorption up to the range of the capillary condensation.

Acylierung des Holzes

ZusammenfassungDer Einfluß der Azetylierung und Phthalierung auf das Quellungs- und Schwindungsverhalten von Tannenholz zeigte sich allgemein in einer Erhöhung der Dimensionsstabilität der untersuchten Proben. Die maximal erzielte Vergütung betrug bei der Azetylierung 75% und bei der Phthalierung etwa 70%. Für diese Vergütung wurde ein Azetylgehalt von etwa 19 und ein Phthalylgehalt von 41 Gew.-% erforderlich. Bei der Azetylierung wurde der maximale Dimensionsstabilisierungswert bereits nach 8 stündiger Acylierungsdauer erreicht, bei der Phthalierung erst nach 24h. Die Effektivität der Acylierung mit Azetanhydrid war in der Anfangsperiode der Behandlung bedeutend größer als diejenige mit Phthalsäure-anhydrid. Nach einer 4stündigen Behandlungsdauer war die Effektivität der beiden Acylierungen praktisch gleich. Die Quellungs-Schwindungszyklen beeinflußten nur bei der Phthalierung die Dimensionsstabilität der Proben. Allgemein stieg diese mit der Anzahl der Befeuchtungs-Trocknungszyklen bis zum siebten Zyklus. Die Dimensionsstabilität stieg aber in der radialen Richtung mit der Anzahl der Quellungs-Schwindungszyklen stärker an als in der tangentialen. Die absoluten Quellmaße der radialen Richtung waren etwa 5mal kleiner als jene der Tangentialrichtung. Mit steigender Anzahl von Quellungs-Schwindungszyklen ging die Raumdichte der Proben zurück. Da das Volumen dabei praktisch konstant blieb. hängt die steigende Formstabilität der Tannenholzproben vermutlich mit dem Auslaugen von Polyosen zusammen. Hinsichtlich des Vergütungsmechanismus durch Acylierung sind folgende Schlüsse gezogen worden: Die Dimensionsstabilisierung infolge der Phthalierung ist hauptsächlich durch die mechanische Verstopfung der Zellwandporen hervorgerufen. In geringerem Maße wirkt sich auch das durch die Quellungs-Schwindungszyklen verursachte Auslaugen der Holzpolyosen auf die Formbeständigkeit des Holzes positiv aus. Die Erhöhung der Formstabilität von azetyliertem Holz ist einerseits auf die chemische Blockierung der polaren alkoholischen und phenolischen Hydroxylgruppen des Holzes, andererseits auf den Verstopfungseffekt durch Azetylgruppen zurückzuführen.SummaryIn general, the influence of acetylation and phtaloylation on the swelling and shrinking properties of fir wood (Abies alba Mill.) became evident in an increase in the dimensional stability of the test samples. A maximum improvement of 75% was obtained with acetylation and of 70% with phtaloylation, at an acetyl concentration of 19 and a phtaloyl concentration of 41 wt.-%. With acetylation, the maximum value of dimensional stability was already reached after 8 hrs of acylation, whereas with phtaloylation it took 24 hrs. In the initial phase of treatment, the efficiency of esterification with acetic anhydride was considerably higher than with phtalic anhydride. However, after 4 hrs of treatment the efficiency of both kinds of acylation was practically equal. Only in the case of phtaloylation did the swelling-shrinking cycles affect the dimensional stability of the samples. In general, the dimensional stability increased with each soaking-drying cycle up to the seventh cycle. The increase in the dimensional stability with each swelling-shrinking cycle was higher in radial than in tangential direction. The absolute swelling value in radial direction was about one fifth of the swelling in tangential direction. With each consecutive swelling-shrinking cycle the density of the samples decreased. Since the volume remained practically constant, it can be assumed that the increasing dimensional stability of the fir wood samples is connected with the leaching of polyoses. With regard to the causes of improvement by acylation, the following conclusions can be drawn. The dimensional stabilization due to phtaloylation is mainly caused by a mechanical bulking of the cell wall pores. The leaching of the wood polyoses resulting from the swelling-shrinking cycles has another positive effect on the dimensional stability of wood, however, to a lesser extent. The increase in the dimensional stability of acetylized wood can be attributed to the chemical blocking of the polar alcoholic and phenolic hydroxyl groups of the wood on the one hand and to the bulking effect of the acetyl groups on the other.

Untersuchungen zu Diffusionsvorgängen in mehrschichtigen Massivholzplatten

ZusammenfassungAn mehrschichtigen Massivholzplatten mit unterschiedlichem Aufbau und verschiedener Verleimungsart wurde die Wasserdampfdiffusion in einem Feuchtklima (zwischen 100% und 65% rel. Luftfeuchte bei 20°C) und einem Trockenklima (zwischen 0% und 65% rel. Luftfeuchte bei 20°C) geprüft. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Der Wasserdampf-Diffusionsdurchlasswiderstand im Trockenbereich ist im Vergleich zum Nassbereich deutlich höher. Der Wasserdampf-Diffusionsdurchlasswiderstand wird stärker durch die Anzahl der Leimfugen pro cm Plattendicke als durch die Klebstoffart bestimmt. Zieht man den durchschnittlichen Feuchtegehalt der Platten im Nassbereich von etwa 20% in Betracht, so ist bei einer Fasersättigungsfeuchte von 28% (erreicht an der dem Wasser zugewandten Seite der Probe) und einer Ausgleichsfeuchte von 12% auf der dem Normalklima zugewandten Seite auf eine lineare Feuchteverteilung innerhalb der Versuchsplatten nach dem Erreichen der Gleichgewichtskonstanz zu schliessen. Der durchschnittliche Feuchtegehalt der Platten im Trockenbereich betrug etwa 11,3%. Dieser Wassergehalt entspricht der Gleichgewichtsfeuchtigkeit des Fichtenholzes beim Normalklima (rel. Luftfeuchtigkeit von 65% bei 20°C). Dies bedeutet, dass das Partialdruckgefälle nach dem Erreichen des Gleichgewichts ein vollkommenes Durchfeuchten der Platte mit der Normalfeuchte des Fichtenholzes verursacht.AbstractMultilayer solid wood spruce panels with different glueing and structure type were tested for water vapor diffusion for a wet climate (relative humidity ranging from 100% to 65% at 20°C) and for a dry climate (relative humidity ranging from 0% and 65% at 20°C). Results showed that the water vapor diffusion resistance for the dry climate is distinctly higher in comparison to the wet climate. The water vapor diffusion resistance is stronger related to the number of glue layers per panel thickness than to the type of adhesive. The average moisture content of the panels in a wet climate was 20%. If one considers a water saturation point of 28% (spruce wood) on the wet side, and 12% moisture content on the dry side (normal climate) of the panel a linear moisture gradient can be expected. Since the average moisture content of the solid wood panels was about 11.3% in a dry climate, and thus corresponding approximately to the equilibrium moisture content of spruce wood exposed to normal climate, the partial pressure gradient on equilibrium caused water uptake corresponding to the normal moisture content for spruce wood.

Kinetische Feuchteverformungsmessungen an chemisch modifiziertem Holz

ZusammenfassungEs wurden kinetische Feuchteverformungsmessungen zwischen Trocknung und Wasserlagerung an unbehandeltem und chemisch modifiziertem Holz in der transversalen Richtung durchgeführt, um den Einfluß der unterschiedlichen Polarität und der Molekülgröße der eingeführten Molekülgruppen auf den zeitlichen Verlauf der Feuchteverformung zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden die Hydroxylgruppen des Holzes mit vergleichbar kleinen aber weniger polaren, mit bedeutend größeren aber stärker polaren und mit größeren und weniger polaren Molekülgruppen versetzt, wobei der Acylierungsgrad quantitativ verfolgt wurde. Es wurde eine kinetisch bedingte, funktionelle Abhängigkeit der Verformungsgeschwindigkeit von der Qualität der eingebrachten Funktionsgruppen festgestellt. Die von den sorptiv aktiven Molekülgruppen abhängige Abnahme der spezifischen Feuchteverformungsgeschwindigkeit folgt der Reihe Hydroxyl-, Azetyl-, Phthalyl- und Monomethylphthalylgruppe. Als Bewertungsmaß für die Feuchteverformungsvergütung wurde die relative, transversale Formänderungsarbeit verwendet. Diese ermöglichte eine quantitative Bewertung der vorgenommenen Modifizierungen sowohl untereinander als auch gegenüber dem unbehandelten Holz. Der Vergütungsmechanismus der einzelnen Modifizierungen wurde diskutiert, wobei besonders auf die Feuchtevergütung durch Quellungsverzögerung eingegangen wurde. Der Einfluß der in das Holz eingebrachten Funktionsgruppen auf die Kinetik der Feuchteverformungsanisotropie wurde untersucht und Vermutungen hinsichtlich des Anisotropiemechanismus angestellt.AbstractKinetic measurements of the swelling and shrinking of untreated and chemically-modified wood in the transverse plane were carried out in order to investigate the influence of various polarities and the volume of the introduced molecular group on the process of swelling and shrinking over time. To achieve this end, the hydroxyl groups of the wood were substituted with relatively small, but weakly polarized molecular groups, with significantly larger and strongly polarized molecular groups and with larger and weakly polarized molecular groups, and the degree of esterification was determined quantitativelly. It was found that the speed of swelling and shrinking is functionally dependent on the quality and kinetic characteristics of the function groups used. The decrease in the specific rate of shrinking and swelling, which is dependent on the sorptionally active molecular groups, follows the pattern: hydroxyl, acetyl, dibasic phthaloyl and monomethylphthaloyl groups. The relative, transverse deformation energy is used as a measure for the dimensional stabilization. This allows a quantitative evaluation of the above-mentioned modifications not only among themselves, but also as opposed to untreated wood. The mechanism of dimensional stabilization due to the modifications used is discussed with special reference to the dimensional stabilization due to the retardation effect. The influence of the function groups introduced into the wood on the kinetics of the shrinking and swelling anisotropy is studied, and a hyptothesis regarding the mechanism of anisotropy is made.

Untersuchungen zum Diffusionswiderstand von Holzwerkstoffen | Diffusion resistance of timber materials

The water vapour diffusion resistance of timber materials were tested in a wet climate (relative humidity ranging from 100% to 65% at 20 °C) and in a dry climate (relative humidity ranging from 0% to 65% and from 0% to 35% at 20 °c) with variation by relative humidity and vapour pressure gradient. The diffusion resistance of multilayer solid wood panels lies under or within the range of the solid wood (spruce), tending even to a lower range. This can be attributed to the loosely inserted middle lamella of the used solid wood panels, which were not correctly glued by the manufacturer. The diffusion resistance of the solid wood panels increases with decreasing moisture content and decreasing panel thickness, as well as with increasing water vapour gradient from 818 to 1520 Pa. There were clear differences between the tested timber materials. The diffusion resistance of particle composites is strongly dependent on the specific gravity. Due to laminar particles OSBs (Oriented Strand Boards) have a larger diff...

Computergesteuertes System zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Einzelfasern unter variablen Klimabedingungen

ZusammenfassungDas computergesteuerte System zur Ermittlung der klimabedingten mechanischen Eigenschaften von Einzelfasern unter Zugbelastung wird beschrichen und die Funktionsweise anhand von Messungen an Cellulosseinzelfasern dokumentiert. Die mit einer konstanten Zug-Belastungsgeschwindigkeit arbeitende Maschine basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kompensation. Die Belastungsgeschwindigkeit kann zwischen 0,08 und 1280 mN/s und die Belastungsamplitude zwischen 5 und 640 mN variiert werden. Der Längenänderungsbereich beträgt ±0,2 mm, die maximale Auflösung 61·10−6m/V, die maximale Kraftauflösung −667·10−3N/V. Der Probenträger befindet sich im klimatisierbaren Rezipienten. Alle Bedienungsfunktionen sind durch die Systemsoftware geregelt. Ermittelt werden die Elastizitätsgrenze, der E-Modul, die Bruchlast, die maximale Deformation und die im Probenraum während der Messung herrschenden Klimabedingungen.AbstractThis report describes a computer controlled single fiber tensile strength tester. The function of the system in measurements of cellulose single fiber is documented. The machine is based on the electromagnetic compensation and works with a constant tensile load velocity. The applied rate of load is variable between 0.08 and 1280 mN/s and the ramp amplitude between 5 and 640 mN. The deformation range is ±0.2 mm, the resolution of the deformation is 61·10−6 m/V. The load resolution is −667·10−3 N/V. The sample holder is placed in a climate conditioned container. All operating functions are software controlled. The limit of linear elasticity, the modulus of elasticity in tension, the failure, the maximum deformation and the climate conditions are being determined by this system.