Gefüge- und Eigenschaftsänderungen im Holz durch mechanische und thermische Beanspruchung

Zusammenfassung

Es ist bekannt, daß bei statischen Druckversuchen den Gesetzen der technischen Mechanik entsprechend unter der Bruchlast oder schon vorher im Holzgefüge schräge Gleitflächen entstehen und daß fibrilläre Lockerungen auftreten; hierüber beseeht in der Literatur weitgehend Übereinstimmung. Es konnte nun ermittelt werden, daß sich Wechselbiegungen in dieser Hinsicht besonders stark auswirken, und auch bei Wechseldruckproben ergaben sich ähnliche Beobachtungen.

Auch das Verhalten von Holz unter allseitigem Druck bei erhöhten Temperaturen wurde untersucht und die Unterschiede der Verformungen von Holzkungeln in tangentialer und radialer Richtung dargestellt. Aufschlußreich sind Mikrophotographien, die insbesondere zeigen, daß die großen Verformungen immer an der Peripherie auftreten und gegen das Innere der Probe hin langsam abklingen. Die Markstrahlen sind dabei wesentlich beteiligt.

Bei Versuchen im Temperaturbereich zwischen 20° und 180° C war mit mehreren, gleichzeitig ablaufenden Vorgänge zu rechnen. u. a. war die Plastifizierung der Polyosen zu berücksichtigen.

Über die Veränderungen der Feinstruktur des Holzes durch thermische Beanspruchung wird im Münchner Institut seit 1963 intensiv gearbeitet. Bei der Erwärmung des Holzes treten innerhalb der morphologischen Struktur chemische Umwandlungen ein, die auch makroskopisch sichtbar werden. Farbveränderungen sind dafür typisch. Die bei der Erwärmung durch Substanzverlust hervorgerufene Schrumpfung bewirkt mechanische Veränderungen in Gefüge und Feinstruktur der Zellen. Es wurde nachgewiesen, daß ein Fließen der amorphen Porussubstanz an ultradünnen Querschnitten eintritt. Erhöhte Temperaturen, die auf das System aus Cellulose, Polyosen und Lignin einwirken, werden sowohl im molekularen als auch im übermolekularen Bereich bemerkbar. Es stellte sich heraus, daß unter den Versuchsbedingungen 120° C eine kritische Temperatur ist, da sich ab dieser Temperatur bei den Polysacchariden deutliche Veränderungen bemerkbar machen. Im molekularen Bereich sind bei der Cellulose Umwandlungen schon bei tieferen Temperaturen zu erkennen. Beim Lignin konnten Veränderungen bei Behandlungstemperaturen oberhalb von 180°C nachgewiesen werden.

Zusätzlich wurde der Einfluß thermischer Behandlungen im Temperaturbereich bis 200° C auf das Trockengewicht, die Trocken-dimensionen und das Sorptionsverhalten von Holz untersucht. Warmeeinwirkung von 70°C hatte noch keinen, von 100°C erst sehi geringen Einfluß auf diese Holzeigenschaften. Zunehmende Temperatur der Wärmeeinwirkung führte zu eine Abnahmer des Trocken-gewichtes und der Trokendimensionen, die um so größer war, je höher die Temperatur und je länger die Dauer der Erwärmung war. Die Abnahme der Trockenlänge war dabei in tangentialer Richtung größer als in radialer. In analoger Weise nahm auch das Sorptionsvermögen im Temperaturbereich von 100 bis 180° C ab. Die Wärmebehandlungen von 6 und 24 h bei 180° C ergaben im gleichen Sinne noch vergrößerte Abnahmen des Sorptionsvermögens, doch war die Abnahme nach 48 h Wärmeeinwirkung geringer als nach 24 h. Die nachgewiesenen Änderungen des Sorptionsverhaltens können aus der unterschiedlichen thermischen Beständigkeit und dem verschieden hohen Sorptionsvermögen der chemischen Hauptbestaudteile des Holzes—Holzpolyosen, Cellulose und Lignm erklärt werden.

Summary

It is a well-known fact, that following the laws of mechanics in wood subjected to pressure load, inclined slip planes and fibrillar loosening occur at the moment of failure or shortly before; in literature this is generally accepted. It could now be shown that dynamic bending has a particularly marked effect in this respect and similar observations were made in dynamic crushing tests.

The behaviour of wood under universal pressure at elevated temperatures was investigated and the differences in deformation of wooden beads in tangential and radial direction were charted. Microphotographs proved particularly revealing, showing that the major deformations always occur at the periphery and slowly decrease towards the core of the test specimen. Rays were noted to be especially affected.

Several simultaneously occurring processes were to be expected in tests at temperatures between 20 and 180° C, e. g. the plastification of the polyoses had to be considered.

The Munich Institute has done extensive research since 1963 on the subject of changes in the ultrastructure of wood caused by thermal stress. When heating wood chemical changes take place within the morphological structure which are visible macroscopically. Colour changes are typical of this. The shrinkage caused by a loss of substance on heating wood brings about mechanical changes in the texture and ultrastructure of cells. It was proved that a flowing of the amorphous pit substance occurs at ultra thin cross sections. Higher temperatures influencing the system of cellulose, polyoses and lignin equally affect the molecular and the supra-molecular structure. Under the prevailing test conditions 120°C proved a critical temperature, above which significant changes in the polysaccharides were noted. In the molecular range even lower temperatures were noted to effect changes in the cellulose. Changes in lignin were observed above treatment temperatures of 180° C.

The influence of thermal treatment of wood on dry weight, dry dimensions and the sorptional behaviour was also studied for a temperature range up to 200° C. Heat at 70° C had none, at 100° C only very little influence on these wood properties. Rising temperatures peratures led to a decrease in dry weight and dry dimensions, the more so the higher the temperatures and the longer the time of heating. The decrease in dry length was found to be greater in tangential than in radial direction. Also, the sorptional capacity diminuishes in a temperature range between 100 and 180° C. Heat treatment for 6 and 24 hours at 180° C resulted in even greater reductions in sorptional capacity; this influence, however, was smaller after 48 hours' heating than after 24 hours. The stated changes in sorptional behaviour can be explained by the different thermal stabilities and the different sorptional capacities of the main chemical components of wood, i.e. of the polyoses, cellulose and lignin.