Căn cứ vào mối quan hệ giữa vật liệu và độ ẩm, vật liệu có tính năng hút ẩm có thể được phân thành 3 loại:
1. Dạng vật liệu có nhiều các mao quản, như gạch, than cốc,... Loại vật liệu này khi lượng ẩm được hút vào tăng lên hay giảm xuống, đều không làm thay đổi kích thước của chúng.
2. Vật liệu là thể keo, như đất sét, nó có khả năng hút nước đến khi làm mất đi kết cấu hình học của nó thì mới thôi.
3. Thể đàn hồi nhiều mao quản như gỗ, nó có khả năng hút một lượng ẩm nhất định, khi hút hay nhả ẩm thì không làm mất đi kết cấu hình học của nó, nhưng kích thước lại bị thay đổi, tức là khi hút ẩm thì làm cho kích thước có thể tăng lên và khi mất ẩm thì có thể làm cho kích thước bị giảm xuống.
(a) Nước tự do và nước thấm
Gỗ được tổ thành từ rất nhiều loại tế bào, tế bào lại bao gồm có vách tế bào và ruột tế bào. Ruột tế bào thường có bán kính trong khoảng 1 x 10-3 đến 2 x l0-3 cm. Vách tế bào được tạo thành từ các microfibrils, các microfibrils lại được tạo thành từ các elementary fibrils, giữa các microfibrils với nhau luôn tồn tại một khe hở, khe hở này có bán kính thường nhỏ hơn 0.25 x l0-5cm. Các khe hở bên trong vách tế bào, ruột tế bào hay giữa các tế bào với nhau hình thành nên một hệ thống mao quản phức tạp. Độ ẩm của gỗ cũng bao gồm cả phần ẩm có ở trong hệ thống các mao quản này.
Lực hút nước của các mao quản có quan hệ với bán kính của chúng. Nếu bán kính của các mao quản lớn hơn l0-5cm, thì áp suất riêng phần của hơi trên bề mặt nước bên trong mao quản gần bằng hoặc bằng với áp suất riêng phần của hơi trên bề mặt nước tự do. Tức là khi đó lực hút nước của các mao quản này là rất nhỏ, thậm chí là không có khả năng hút nước. Bán kính mao quản càng nhỏ, lực căng bề mặt của nước bên trong mao quản càng lớn, lực hút nước của các mao quản càng lớn.
Vì vậy, hệ thống mao quản ở trong gỗ có thể được phân thành hai loại. Một loại được tạo thành từ hệ liên kết giữa các ruột tế bào với nhau, lực hút nước của loại này thường rất nhỏ, chúng được gọi là hệ thống mao quản lớn; một loại khác được tạo thành từ khe hở giữa các microfibrils với nhau bên trong vách tế bào, loại này có lực hút nước rất lớn, chúng được gọi là hệ thống các vi quản (hệ thống các mao quản rất nhỏ). Phần nước ở bên trong của hệ thống các mao quản lớn được gọi là nước tự do. Mà hệ thống mao quản lớn này chỉ có thể làm cho nước ở bên trong bay hơi ra ngoài không khí, mà không có khả năng hút được nước từ bên ngoài không khí vào. Còn nước bên trong hệ thống vi quản được gọi là nước thấm, hệ thống các vi quản này vừa có khả năng làm cho nước ở bên trong gỗ bay ra ngoài không khí, lại vừa có khả năng hút được nước từ bên ngoài không khí vào.
(b) Điểm bão hoà thớ gỗ
Gỗ ướt được đặt trong môi trường sấy, do áp suất riêng phần của hơi nước bên trong gỗ cao hơn so với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí, làm cho phần ẩm ở trong gỗ sẽ bay hơi ra môi trường bên ngoài. Phần nước bay hơi đầu tiên là nước tự do, khi phần nước tự do ở ruột tế bào đã bay hết mà phần nước thấm bên trong vách tế bào vẫn tồn tại ở trạng thái bão hoà, khi đó trạng thái của ẩm ở trong gỗ được gọi là điểm bão hoà thớ gỗ. Tùy thuộc vào chủng loại gỗ, nhiệt độ khác nhau mà điểm bão hòa thớ gỗ cũng không giống nhau, theo sự tăng lên của nhiệt độ thì điểm bão hoà thớ gỗ lại giảm xuống. Xét cho phần nhiều các loài gỗ, ở điều kiện nhiệt độ 20°c, độ ẩm của không khí là 100% thì điểm bão hoà thớ gỗ là 30%; khi nhiệt độ đạt 100°c, thì điểm bão hoà thớ gỗ giảm xuống còn 22.5%. Điều đó nói rằng, nhiệt độ càng cao, thì năng lực hút ẩm của gỗ từ không khí là càng thấp.
Điểm bão hoà thớ gỗ là điểm chuyển hóa về sự thay đổi tính chất của gỗ. Khi độ ẩm lớn hơn điểm bão hoà thớ gỗ, thì sự thay đổi của độ ẩm về cơ bản không làm thay đổi được hình dáng, kích thước, cường độ,... của gỗ. Còn khi độ ẩm nhỏ hơn điểm bão hòa thớ gỗ, thì sự thav đổi của độ ẩm sẽ làm cho hầu hết các đặc tính như trình bày ở trên đều có sự thay đổi. Vì thế, điểm bão hòa thớ gỗ là một tham số vừa có ý nghĩa về lý thuyết lại vừa có giá trị thực dụng đối với gỗ.
(c) Sự hút ẩm và nhả ẩm của gỗ
Trong vách tế bào của gỗ có vô số các vi quản, chúng tổ thành một hệ thống các vi quản. Trong trường hợp gỗ khô được đặt ở môi trường không khí ẩm, khi đó áp suất riêng phần của hơi nước ở bên trong các vi quản của gỗ nhỏ hơn so với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí bên ngoài, lúc đó các vi quản tiến hành hút ẩm từ môi trường xung quanh vào trong gỗ, phần hơi nước ở bên trong các vi quản được ngưng kết thành nước ngưng. Hiện tượng hệ thống các vi quản bên trong vách tế bào của gỗ có khả năng hút ẩm từ môi trường xung quanh, được gọi là quá trình hút ẩm. Quá trình hút ẩm ở giai đoạn đầu chúng được tiến hành rất mãnh liệt, tức là độ ẩm của gỗ ở giai đoạn này tăng lên rất nhanh; theo thời gian, quá trình hút ẩm sẽ chậm dần, sau cùng đạt đến trạng thái cân bằng ổn định, độ ẩm của gỗ khi đó gọi là độ hút ẩm ổn định.
Nếu như gỗ có độ ẩm tương đối cao, được đặt trong môi trường không khí khô, khi đó áp suất riêng phần của hơi nước bên trong các vi quản của vách tế bào lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước ở môi trường không khí xung quanh, khi đó ẩm ở trong các vi quản sẽ bay hơi ra ngoài môi truờng xung quanh, hiện tượng đó gọi là nhả ẩm (hay giải phóng ẩm).
Ở giai đoạn đầu, quá trình bay hơi của ẩm trong gỗ ra ngoài không khí diễn ra rất mãnh liệt, tức là lượng nước thấm ở trong gỗ được giảm xuống rất nhanh; theo thời gian, quá trình nhả ẩm chậm dần lại, sau cùng đạt đến trạng thái cân bằng và ổn định, độ ẩm của gỗ khi đó được gọi là độ nhả ẩm ổn định, ký hiệu là Mnhả. Chú ý, sự nhả ẩm và sấy gỗ là hai khái niệm hoàn toàn khác nhau: quá trình nhả ẩm là chỉ quá trình loại bỏ lượng nước thấm bên trong vách tế bào. còn quá trình sấy gỗ là chỉ quá trình loại bỏ cả phần nước tự do và phần nước thấm.
Trong quá trình hút ẩm của gỗ, độ hút ẩm ổn định Mhút dù ít dù nhiều đều thấp hơn so với độ nhả ẩm ổn định Mnhả ở cùng điều kiện về trạng thái không khí. Hiện tượng đó được gọi là ngưng hút ẩm, ký hiệu là ∆M. Nguyên nhân gây ra hiện tượng ngưng hút ẩm là do gỗ đã được trải qua sấy, trong quá trình sấy các khe hở bên trong hệ thống các vi quản của gỗ đã bị một bộ phận không khí chiếm chỗ, điều đó sẽ làm cản trở tới khả năng hút ẩm của gỗ.
Giá trị của ∆M không liên quan đến chủng loại của gỗ, nhưng chúng lại phụ thuộc vào kích thước của gỗ tăng lên mà cũng tăng lên. Đối với gỗ vụn hoặc mỏng (như vỏ bào, ván mỏng,...) thì ∆M là rất nhỏ, trung bình đạt khoảng 0.2%, có thể không cần tính đến. Nhưng đối với gỗ xẻ thì ∆M lại tương đối lớn, nó do trong quá trình sấy, nhiệt độ sấy tăng cao mà cũng tăng theo, phạm vi giá trị của nó trong khoảng 1-5%, giá trị trung bình là 0.25%.
(d) Độ ẩm thăng bằng và ứng dụng của nó
(a) Nước tự do và nước thấm
Gỗ được tổ thành từ rất nhiều loại tế bào, tế bào lại bao gồm có vách tế bào và ruột tế bào. Ruột tế bào thường có bán kính trong khoảng 1 x 10-3 đến 2 x l0-3 cm. Vách tế bào được tạo thành từ các microfibrils, các microfibrils lại được tạo thành từ các elementary fibrils, giữa các microfibrils với nhau luôn tồn tại một khe hở, khe hở này có bán kính thường nhỏ hơn 0.25 x l0-5cm. Các khe hở bên trong vách tế bào, ruột tế bào hay giữa các tế bào với nhau hình thành nên một hệ thống mao quản phức tạp. Độ ẩm của gỗ cũng bao gồm cả phần ẩm có ở trong hệ thống các mao quản này.
Lực hút nước của các mao quản có quan hệ với bán kính của chúng. Nếu bán kính của các mao quản lớn hơn l0-5cm, thì áp suất riêng phần của hơi trên bề mặt nước bên trong mao quản gần bằng hoặc bằng với áp suất riêng phần của hơi trên bề mặt nước tự do. Tức là khi đó lực hút nước của các mao quản này là rất nhỏ, thậm chí là không có khả năng hút nước. Bán kính mao quản càng nhỏ, lực căng bề mặt của nước bên trong mao quản càng lớn, lực hút nước của các mao quản càng lớn.
Vì vậy, hệ thống mao quản ở trong gỗ có thể được phân thành hai loại. Một loại được tạo thành từ hệ liên kết giữa các ruột tế bào với nhau, lực hút nước của loại này thường rất nhỏ, chúng được gọi là hệ thống mao quản lớn; một loại khác được tạo thành từ khe hở giữa các microfibrils với nhau bên trong vách tế bào, loại này có lực hút nước rất lớn, chúng được gọi là hệ thống các vi quản (hệ thống các mao quản rất nhỏ). Phần nước ở bên trong của hệ thống các mao quản lớn được gọi là nước tự do. Mà hệ thống mao quản lớn này chỉ có thể làm cho nước ở bên trong bay hơi ra ngoài không khí, mà không có khả năng hút được nước từ bên ngoài không khí vào. Còn nước bên trong hệ thống vi quản được gọi là nước thấm, hệ thống các vi quản này vừa có khả năng làm cho nước ở bên trong gỗ bay ra ngoài không khí, lại vừa có khả năng hút được nước từ bên ngoài không khí vào.
(b) Điểm bão hoà thớ gỗ
Gỗ ướt được đặt trong môi trường sấy, do áp suất riêng phần của hơi nước bên trong gỗ cao hơn so với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí, làm cho phần ẩm ở trong gỗ sẽ bay hơi ra môi trường bên ngoài. Phần nước bay hơi đầu tiên là nước tự do, khi phần nước tự do ở ruột tế bào đã bay hết mà phần nước thấm bên trong vách tế bào vẫn tồn tại ở trạng thái bão hoà, khi đó trạng thái của ẩm ở trong gỗ được gọi là điểm bão hoà thớ gỗ. Tùy thuộc vào chủng loại gỗ, nhiệt độ khác nhau mà điểm bão hòa thớ gỗ cũng không giống nhau, theo sự tăng lên của nhiệt độ thì điểm bão hoà thớ gỗ lại giảm xuống. Xét cho phần nhiều các loài gỗ, ở điều kiện nhiệt độ 20°c, độ ẩm của không khí là 100% thì điểm bão hoà thớ gỗ là 30%; khi nhiệt độ đạt 100°c, thì điểm bão hoà thớ gỗ giảm xuống còn 22.5%. Điều đó nói rằng, nhiệt độ càng cao, thì năng lực hút ẩm của gỗ từ không khí là càng thấp.
Điểm bão hoà thớ gỗ là điểm chuyển hóa về sự thay đổi tính chất của gỗ. Khi độ ẩm lớn hơn điểm bão hoà thớ gỗ, thì sự thay đổi của độ ẩm về cơ bản không làm thay đổi được hình dáng, kích thước, cường độ,... của gỗ. Còn khi độ ẩm nhỏ hơn điểm bão hòa thớ gỗ, thì sự thav đổi của độ ẩm sẽ làm cho hầu hết các đặc tính như trình bày ở trên đều có sự thay đổi. Vì thế, điểm bão hòa thớ gỗ là một tham số vừa có ý nghĩa về lý thuyết lại vừa có giá trị thực dụng đối với gỗ.
(c) Sự hút ẩm và nhả ẩm của gỗ
Trong vách tế bào của gỗ có vô số các vi quản, chúng tổ thành một hệ thống các vi quản. Trong trường hợp gỗ khô được đặt ở môi trường không khí ẩm, khi đó áp suất riêng phần của hơi nước ở bên trong các vi quản của gỗ nhỏ hơn so với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí bên ngoài, lúc đó các vi quản tiến hành hút ẩm từ môi trường xung quanh vào trong gỗ, phần hơi nước ở bên trong các vi quản được ngưng kết thành nước ngưng. Hiện tượng hệ thống các vi quản bên trong vách tế bào của gỗ có khả năng hút ẩm từ môi trường xung quanh, được gọi là quá trình hút ẩm. Quá trình hút ẩm ở giai đoạn đầu chúng được tiến hành rất mãnh liệt, tức là độ ẩm của gỗ ở giai đoạn này tăng lên rất nhanh; theo thời gian, quá trình hút ẩm sẽ chậm dần, sau cùng đạt đến trạng thái cân bằng ổn định, độ ẩm của gỗ khi đó gọi là độ hút ẩm ổn định.
Nếu như gỗ có độ ẩm tương đối cao, được đặt trong môi trường không khí khô, khi đó áp suất riêng phần của hơi nước bên trong các vi quản của vách tế bào lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước ở môi trường không khí xung quanh, khi đó ẩm ở trong các vi quản sẽ bay hơi ra ngoài môi truờng xung quanh, hiện tượng đó gọi là nhả ẩm (hay giải phóng ẩm).
Ở giai đoạn đầu, quá trình bay hơi của ẩm trong gỗ ra ngoài không khí diễn ra rất mãnh liệt, tức là lượng nước thấm ở trong gỗ được giảm xuống rất nhanh; theo thời gian, quá trình nhả ẩm chậm dần lại, sau cùng đạt đến trạng thái cân bằng và ổn định, độ ẩm của gỗ khi đó được gọi là độ nhả ẩm ổn định, ký hiệu là Mnhả. Chú ý, sự nhả ẩm và sấy gỗ là hai khái niệm hoàn toàn khác nhau: quá trình nhả ẩm là chỉ quá trình loại bỏ lượng nước thấm bên trong vách tế bào. còn quá trình sấy gỗ là chỉ quá trình loại bỏ cả phần nước tự do và phần nước thấm.
Trong quá trình hút ẩm của gỗ, độ hút ẩm ổn định Mhút dù ít dù nhiều đều thấp hơn so với độ nhả ẩm ổn định Mnhả ở cùng điều kiện về trạng thái không khí. Hiện tượng đó được gọi là ngưng hút ẩm, ký hiệu là ∆M. Nguyên nhân gây ra hiện tượng ngưng hút ẩm là do gỗ đã được trải qua sấy, trong quá trình sấy các khe hở bên trong hệ thống các vi quản của gỗ đã bị một bộ phận không khí chiếm chỗ, điều đó sẽ làm cản trở tới khả năng hút ẩm của gỗ.
Giá trị của ∆M không liên quan đến chủng loại của gỗ, nhưng chúng lại phụ thuộc vào kích thước của gỗ tăng lên mà cũng tăng lên. Đối với gỗ vụn hoặc mỏng (như vỏ bào, ván mỏng,...) thì ∆M là rất nhỏ, trung bình đạt khoảng 0.2%, có thể không cần tính đến. Nhưng đối với gỗ xẻ thì ∆M lại tương đối lớn, nó do trong quá trình sấy, nhiệt độ sấy tăng cao mà cũng tăng theo, phạm vi giá trị của nó trong khoảng 1-5%, giá trị trung bình là 0.25%.
(d) Độ ẩm thăng bằng và ứng dụng của nó
Quá trình hút và nhả ẩm của gỗ được diễn ra ngược chiều nhau, khi phân tử hơi nước chạm phải bề mặt của gỗ mà chúng bị hút vào trong gỗ, đó được gọi là quá trình hút ẩm; đồng thời cũng có một bộ phận hơi nước ở bên trong gỗ bay ra ngoài không khí, đó được gọi là quá trình nhả ẩm. Tốc độ của hai quá trình này là không bằng nhau, nếu như gỗ tương đối khô được đặt trong môi trường không khí ẩm, thì ở giai đoạn bắt đầu trong một đơn vị thời gian số lượng các phân tử hơi nước được gỗ hút vào từ không khí lớn hơn so với số lượng phân từ hơi nước bay ra khỏi bề mặt của gỗ. Nếu như gỗ tương đối ướt, thì hiện tượng đó là ngược lại là số lượng phân tử hơi nước được gỗ hút vào từ không khí nhỏ hơn số lượng phân tử hơi nước bay ra khỏi bề mặt gỗ. Theo thời gian, quá trình hút ẩm và nhả ẩm của gỗ đạt đến trạng thái cân bằng với môi trường không khí xung quanh, độ ẩm khi đó được gọi là độ ẩm thăng bằng của gỗ, ký hiệu là Mt.bằng
Đối với gỗ phơi khô hoặc ván mỏng, thì ∆M tương đối nhỏ, trong sản xuất có thể bỏ qua. Do đó, đối với gỗ phơi khô có thể được ước lượng như sau:
Mt.bằng = Mhút = Mnhả
Đối với gỗ được sấy khô thì có ∆M tương đối lớn. Nhiệt độ của môi trường sấy càng cao thì ∆M càng lớn, giá trị trung bình của nó là 2.5%. Do đó, đối với gỗ sấy khô thì :
Mt.bằng = Mnhả = Mhút + 2.5% (6-3)
Hoặc : Mhút = Mt.bằng - 2.5% (6-4)
Đối với gỗ phơi khô hoặc ván mỏng, thì ∆M tương đối nhỏ, trong sản xuất có thể bỏ qua. Do đó, đối với gỗ phơi khô có thể được ước lượng như sau:
Mt.bằng = Mhút = Mnhả
Đối với gỗ được sấy khô thì có ∆M tương đối lớn. Nhiệt độ của môi trường sấy càng cao thì ∆M càng lớn, giá trị trung bình của nó là 2.5%. Do đó, đối với gỗ sấy khô thì :
Mt.bằng = Mnhả = Mhút + 2.5% (6-3)
Hoặc : Mhút = Mt.bằng - 2.5% (6-4)
Bảng 6-2
Độ ẩm thăng bằng của gỗ tùy theo chủng loại gỗ khác nhau mà chúng thay đổi không lớn, trong sản xuất không cần xem xét đến yếu tố này. Độ ẩm thăng bằng của gỗ chủ yếu là do nhiệt độ và độ ẩm của môi trường không khí xung quanh khác nhau mà chúng khác nhau, đặc biệt là độ ẩm có ảnh hưởng lớn nhất. Khi đã biết được nhiệt độ cầu khô và nhiệt độ cầu ướt (hoặc độ ẩm tương đối) của môi trường (không khí), thì có thể tra theo đồ thị đường cong để tìm ra được độ ẩm thăng bằng của gỗ. Hoặc cũng có thể căn cứ vào sự chênh lệch giữa nhiệt độ cầu khô và độ ẩm (tức là sự chênh lệch giữa nhiệt độ cầu khô và nhiệt độ cầu ướt) của môi trường, sau đó căn cứ vào bảng 6-2 để tra ra được độ ẩm thăng bằng của gỗ.
Độ ẩm thăng bằng của gỗ rất có ý nghĩa thực tế trong ngành công nghiệp chế biến gỗ. Gỗ trước khi được sản xuất thành các sản phẩm đồ mộc, bắt buộc phải được sấy đến một độ ẩm cuối cùng Mcuối nào đó, mà độ ẩm cuối cùng này phải tương ứng với độ ẩm thăng bằng ở nơi sử dụng sản phẩm đó. Tức là phải phù hợp với hệ thức:
(Mt.bằng - 2.5%) < Mcuối < Mt.bằng
Nếu như độ ẩm thăng bằng của nơi sử dụng sản phẩm là 15%, thì độ ẩm cuối cùng của gỗ nên sấy đến khoảng 13% là thích hợp. Ở điều kiện độ ẩm này, độ ẩm của sản phẩm gỗ về cơ bản duy trì được tính ổn định, từ đó đảm bảo được sự ổn định cho hình dáng và kích thước của sản phẩm.
Nguồn : Sách Công Nghệ Chế Biến Gỗ