Dynamic mechanical characterization of mechanosorptive effects in wood and paper

Abstract

Dynamic mechanical studies in dual cantilever and tensile stretching mode of Scots pine veneer, birch veneer and paper under stepwise humidity changes between 5% and 85% relative humidity are reported. The loss tangent (tanδ) shows a transient peak every time the relative humidity of the surrounding atmosphere is changed. In the bending mode a clamping arrangement that is freely movable in the longitudinal direction gives more distinct damping peaks than does a static fixture.

There is a close relationship between the rate of sorption/desorption and the shape of the tanδ peak. In response to reduction of the rate of humidity change the damping transients slowly disappear. They also diminish in strength as the temperature is raised toward 60°C. Their strengths increase as the measuring frequency is lowered toward 0.01 Hz. Also, when the samples are highly compressed or prestressed with static loads the peak heights are greatly reduced. The tanδ peaks become less distinct and eventually disappear when the amplitude of the vibration increases. Long time testing results in significant changes in the shapes of the tanδ versus time data.

A working hypothesis is that these phenomena are closely related to molecular diffusion of water through the sample material. Simple estimates show that the relaxation time for a diffusion related process should be of the order of a minute.

Zusammenfassung

Die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von Holz von der Feuchtigkeit der Umgebung ist relativ wohl bekannt und kann anhand der Wechselwirkung zwischen den Wassermolekülen und den Wasserstoffbindungen verstanden werden. Eine Erhöhung des Feuchtigkeitgehaltes führt normalerweise zu einer Senkung der Elastizitätsmoduln, während die mechanischen Verluste eine entgegengesetzte Tendenz zeigen.

Das mechanische Verhalten von Holz bei stufenweise wiederholten Feuchtigkeitsänderungen, wie z.B. die dramatisch gesteigerte Kriechgeschwindigkeit, bleibt dagegen immer noch ein weitgehend ungeklärtes Problem. Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der sog. mechanosorptiven Effekte sind auf Untersuchungen des Kriechverhaltens begrenzt. Die vorliegende Arbeit stellt in dieser Hinsicht eine Erweiterung dar, indem sie über die Resultate einer experimentellen Untersuchung berichtet, die sich auf die Änderungen der dynamisch-mechanischen Eigenschaften von Kiefernfurnier, Birkenfurnier und Papier bei wiederholten Änderungen der umgebenden Atmosphäre zwischen 5% und 85% rel. Feuchtigkeit beziehen. Der mechanische Verlustfaktor, tanδ, zeigt bei jeder Feuchtigkeitsänderung ein ausgeprägtes Maximum. Die Form und Größe dieser Maxima wurden durch die Art der Probehalterung beeinflußt. Bei Biegeversuchen ergab eine Anordnung mit longitudinal frei beweglichen Klemmen deutlichere tanδ Maxima als eine Anordnung mit fest einsgespannten Proben.

Ein enger Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der Sorption/Desorption und der Intensität der Dämpfungstransiente wurde gefunden. Bei sinkender Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsänderung wurde eine Abnahme dieser Transiente beobachtet. Ein ähnliches Verhalten wurde bei steigender Temperatur, Amplitude, Vorspannung oder Vorbehandlung durch Kompression festgestellt. Die Form der Dämpfungstransiente war auch von der Zeitspanne zwischen den Feuchtigkeitsänderungen abhängig.

Es darf angenommen werden, daß die beobachteten Phänomene eng mit der Diffusion der Wassermoleküle durch das hygroskopische Material verbunden sind. Enfache Abschätzungen zeigen, daß die diffusionsbedingten Relaxationszeiten von der Größenordnung einer Minute sind.