The effect of extractives on water-vapor sorption by wood

SummaryThe woods of different species vary widely in the nature and amount of their extractive content with a resultant variation in their sorption characteristics. This is particularly evident in the case of tropical woods, many of which are characterized by high extractive content. The nine species included in this study ranged from 3... 17 percent in extractive content. As determined from their desorption isotherms these species ranged from 20.5... 32.8 percent in fiber saturation point prior to extraction, and from 30.4... 38.0 percent after the removal of extractives with a series of neutral solvents. An analysis of variance showed that the variation in fiber saturation point among these species was reduced by about one-half following extraction in desorption and by approximately 7/8 in adsorption.The results of this study lead to several conclusions.The principal effect of extractives is to depress the sigmoid isotherm in the upper range of relative humidity, typically above 60 ... 70 percent. Isotherms of extracted and unextracted wood coincide very closely at relative humidities below about 60 percent.Based on these nine species, the increase in fiber saturation point resulting from the removal of extractives is greatest for a species with a low initial fiber saturation point and least for a species with a high initial fiber saturation point. Model equations accounted for 68 percent of the increase in desorption and 78 percent of the increase in adsorption. The remaining variance is presumed to be due to differences in chemical composition and physical organization of the skeletal cell wall.By employing the Hailwood-Horrobin model equation in analyzing the data, it was possible to partition the sorbed moisture as monomolecular and polymolecular sorption. The presence of extractives has very little effect on the amount of moisture sorbed as a monolayer on the internal surfaces of the cell wall (Langmuir sorption). In contrast, the sorption of moisture in polymolecular layers is reduced in greatly varying degree consistent with the theory of bulking action whereby the extractive substance within the cell wall precludes moisture from occuping the same space.By means of a regression analysis of monomolecular moisture vs. the constant M (a measure of the availability of bonding sites for sorption) in the Hailwood-Horrobin equation, it is evident that monolayer sorption increases with increased availability of bonding sites in both unextracted and extracted wood. By similar analysis polymolecular sorption also increases with increased surface activity in the case of extracted wood, but this effect is completely masked in the analysis of unextracted wood by the predominant bulking action. Total sorption, dominated by polymolecular sorption, shows similar relationships. Only in the case of essentially extractive-free wood can total sorption be expected to reflect the availability of molecular sorption sites and hence reveal variations in degree of crystallinity, cell wall compactness, or chemical composition to a significant degree.ZusammenfassungDie verschiedenen Holzarten schwanken hinsichtlich der Art und der Menge ihrer Extraktstoffe in weiten Bereichen, was sich in gleicher Weise in einer Schwankung ihres sorptions verhaltens ausdrückt. Diese Erscheinung tritt bei tropischen Hölzern besonders deutlich hervor, von denen eine ganze Reihe durch hohe Extraktstoffgehalte gekennzeichnet sind. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten neun Holzarten besaßen zwischen 3 und 17 Prozent Extraktstoffgehalt. Anhand der Desorptionsisothermen könnten bei diesen Holzarten die Fasersättigungspunkte vor der Extraktion zwischen 20,5 und 32,8 Prozent und nach der Extraktion mit einer Reihe von neutralen Lösungsmitteln, zwischen 30,4 und 38,0 Prozent liegend festgestellt werden. Eine Varianzanalyse zeigte, daß die Streuung der Fasersättigungspunkte der genannten Holzarten im Anschluß an die Extraktion für die Desorption auf etwa 1/2 und für die Adsorption auf rund 7/8 zurückging. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchungen lassen folgende Schlüsse zu.Die Wirkung der Extraktstoffe zeigt sich allgemein in einer Abflachung der Isothermenkurve im oberen Bereich der relativen Luftfeuchtigkeit, besonders oberhalb 60 ... 70 Prozent. Die Isothermen der extrahierten und nichtextrahierten Hölzer liegen bei relativen Luftfeuchtigkeiten unterhalb von 60 Prozent verhältnismäßig nahe beieinander. Die mit den gewählten 9 Holzarten erzielten Ergebnisse zeigen, daßdie aufgrund der Extraktion eingetretene Erhöhung des Fasersättigungspunktes für die Holzarten mit ursprünglich niedrigem Fasersättigungspunkt am größten und für die Holzarten mit ursprünglich hohem Fasersättigungspunkt am geringsten war. Mit Hilfe entsprechender Gleichungen wurde für die Desorption ein Anstieg von 68 Prozent und für die Adsorption ein solcher von 78 Prozent errechnet. Die verbleibende Restvarianz wird auf Unterschiede im chemischen Aufbau und in der physikalischen Anordnung der Zellwände des Stützgewebes zurückgeführt.Die Anwendung der Hailwood-Horrobin-Modellgleichung zur Analyse der gefundenen Werte ermöglicht eine Unterscheidung der sorbierten Feuchtigkeit in eine monomolekulare und eine polymolekulare Sorption. Danach zeigt sich, daß das Vorhandensein von Extraktstoffen einen nur geringen Einfluß auf jene Feuchtigkeitsmenge ausübt, die als Monoschicht an die inneren Oberflächen der Zellwand sorbiert wird (Langmuir-Sorption). Im Gegensatz hierzu wird die Feuchtigkeitssorption in polymolekularen Schichten in allerdings sehr unterschiedlich hohem Grade vermindert. Dies steht in Übereinstimmung mit der Bulking-Action-Theorie, die besagt, daß die Extraktstoffe in der Zellwand die Feuchtigkeit daran hindern den gleichen Raum einzunehmen.Mit Hilfe einer Regression von der monomolekular adsorbierten Feuchtigkeit auf die Konstante M der Hailwood-Horrobin-Gleichung (=Maß für das Vorhandensein von freien Bindungsstellen für die Sorption) kann deutlich gemacht werden, daß die monomolekulare Sorption mit dem zunehmenden Vorhandensein von freien Bindungen sowchl im nichtextrahierten als auch im extrahierten Holz ansteigt. Mit Hilfe eines ähnlichen Analysenganges läßt sich zeigen, daß die polymolekulare Sorption bei extrahiertem Holz mit seiner gesteigerten Oberflächenaktivität ebenfalls zunimmt. Dieser Einfluß ist aber bei nichtextrahiertem Holz durch das Überwiegen der Bulking-Action vollständig überdeckt und daher nicht erkennbar. Die Gesamtsorption, die durch die polymolekulare Sorption wesentlich bestimmt wird, zeigt ähnliche Beziehungen. Allein im Falle vollständig extraktstoffreien Holzes kann man annehmen, daß die Gesamtsorption ein adäquates Bild von der Zugänglichkeit freier Bindungen für die molekulare Sorption wiedergibt, so daß hierdurch Schwankungen des Kristallinitätsgrades, der Zellwanddichte oder der chemischen Zusammensetzung in signifikanter Weise zu erkennen sind.