d. Tỷ lệ tăng thể tích (B) %
3.4.2. Khả năng thấm hĩa chất theo nguyên lý mao dẫn
Khi một vật rắn (gỗ) được nhúng vào một dung dịch thì nơi tiếp giáp giữa dung dịch, chất rắn và khơng khí sẽ tạo ra mặt cong do sức căng mặt ngồi của chất lỏng. Mức độ dính ướt của vật rắn tạo ra một gĩc làm ướt θ: nếu θ < 90o thì độ dính ướt thấp và tạo ra mặt cong lồi, nếu θ > 90o thì độ dính ướt cao hơn và tạo ra mặt cong lõm (hình 3.2). Theo đĩ, xuất hiện hai loại áp lực mao quản thuận, nghịch khác nhaụ
θ
1/ Áp lực mao quản thuận 2/ Áp lực mao quản nghịch
Hình 3.2. Mặt cong được hình thành khi dung dịch tiếp xúc với thành mao quản
Khi cĩ áp lực mao quản thuận khả năng thấm hĩa chất vào gỗ kém và ngược lạị Áp lực mao quản được xác định bằng cơng thức sau:
dcos cos
p= 2σ θ (N/m2) (3.5)
Trong đĩ: σ: hệ số sức căng bề mặt của chất lỏng (N/m) θ : gĩc làm ướt (độ)
d: đường kính mạch gỗ (m)
Nếu gỗ được dựng đứng trong một dung dịch, áp lực mao quản sẽ hút dung dịch lên một chiều cao h được xác định theo cơng thức sau:
g r h ρ θ σcos 2 = (m) (3.6) Trong đĩ, ρ: tỷ trọng chất lỏng; g: gia tốc tự dọ
Vì gỗ cĩ cấu tạo phức tạp nên 2 cơng thức trên 3.5 và 3.6 chỉ cĩ ý nghĩa lý thuyết, ít được dùng để tính tốn trong thực tế. Mặt khác, trước khi ngâm trong dung dịch PEG-600, gỗ Mỡ cĩ độ ẩm khoảng 80-90% nên động lực dẫn hĩa chất vào trong gỗ tuân theo nguyên lý khuyếch tán, động lực mao dẫn cĩ vai trị thứ yếụ
Việc nghiên cứu động học của quá trình nâng cao cột chất lỏng trong mao mạch khơng phụ thuộc vào vật liệu đã được Ostwald đề cập năm 1908; Ơng kết luận rằng: khối lượng chất lỏng m, chuyển động trong mao mạch là đại lượng thay đổi:
Trong đĩ: r: bán kính mao mạch (m)
h: chiều cao cột chất lỏng trong mao mạch (m) ρ: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)
Lực tác động lên cột chất lỏng trong mao mạch là tổng hợp của 3 thành phần:
ftđ = f1 + f2 + f3 (N) (3.8) Trong đĩ:
f1 : lực mao dẫn (f1 = 2Π . r . h. ρ . cosθ . б) (N)
f2 : lực trọng trường đặt dọc mao mạch (f2 = - Π . r2 . h. g . sinα) (N) f3 : lực cản (f3 = - 8 . η .Π h2 (N)
θ: gĩc làm ướt
α: gĩc giữa trục dọc của mao mạch và bề mặt dung dịch б: hệ số sức căng mặt ngồi của chất lỏng
η: hệ số nhớt của chất lỏng
Từ cơng thức (3.8), độ nâng cao cột chất lỏng trong mao mạch khi các mao mạch đặt trong chất lỏng theo phương nằm ngang được xác định:
τ η σ θ . . 2 . cos . r h= (m) (3.9)
Trong đĩ: τ: thời gian để chất lỏng nâng lên trong mao mạch.
Bán kính hiệu quả được biểu diễn là hàm của hệ số thấm Rhq = f (c). Mối quan hệ này cho phép đánh giá định lượng bán kính hiệu quả bằng phương trình của Puazeil:
l p r Q . . 8 . 4 η π = (cm3/s) (3.10) Cĩ thể xác định Rhq qua cơng thức:
4 . . . . 8 P l Q R π η∆ = (cm) (3.11) Trong đĩ: ∆Q: lưu lượng chất lỏng (cm3/s) l: chiều dài mẫu (cm)
p: độ hạ áp suất η: độ nhớt động
Trong cơng thức (2.10), nhân cả tử số và mẫu số với ∆S và thay thế cơng thức tính hệ số thấm C, thì bán kính hiệu quả được xác định:
4 . . .. 8 π C S Rhq ∆ = (3.12) Và trong trường hợp∆S = 1cm2 thì: 4 . ... 8 π C Rhq = (3.13)
Với cơng thức (3.7) và (3.9) cho thấy lượng chất lỏng và chiều cao của cột chất lỏng trong các mao mạch tỉ lệ thuận với bán kính của mao mạch và thời gian ngâm.
Việc xác định các thơng số trên, sẽ gặp khĩ khăn do cấu trúc phức tạp, khơng đồng nhất của gỗ. Xác định độ lớn thực của các bán kính mao mạch cho dịng chất lỏng chảy qua là rất phức tạp, khĩ cĩ khả năng thực hiện. Do vậy các cơng thức trên chỉ cĩ ý nghĩa về mặt lý thuyết, khĩ cĩ thể áp dụng trong thực tế.
Các kết quả thực nghiệm về khả năng thấm thuốc của gỗ theo các chiều khác nhau (thể hiện bằng độ sâu thấm thuốc) đã cho thấy, độ sâu thấm thuốc theo chiều dọc của thớ gỗ là lớn nhất, tiếp theo chiều xuyên tâm, nhỏ nhất là theo chiều tiếp tuyến. Xuất phát từ lý thuyết về mao dẫn cho thấy độ sâu thấm thuốc vào gỗ tỷ lệ thuận với đường kính mao mạch nên độ sâu thấm thuốc theo chiều dọc thớ là lớn nhất. Hệ thống mao mạch cĩ kích thước lớn đĩ, nhất
là các ống mạch gỗ, ngồi ra cịn cĩ hệ thống các mao mạch cĩ kích thước rất nhỏ bao gồm khoảng khơng gian giữa các vách tế bào, giữa các mạch xeluloza cũng tham gia vào quá trình thấm mao dẫn.
Tiếp theo hướng tiếp tuyến rồi hướng xuyên tâm, dung dịch thuốc bảo quản thấm vào gỗ theo các hệ thống lỗ thơng ngang trên vách tế bào cĩ kích thước rất nhỏ so với ống mạch gỗ. Chính vì vậy độ sâu thấm thuốc theo các hướng này rất kém. Tuy nhiên, độ sâu thấm thuốc bảo quản trong các ống mao dẫn cũng dừng lại tại một thời điểm nhất định của mao mạch. Theo tính tốn của Sergovsky, ở trong mao mạch cĩ đường kính 3.10-3 cm, độ thấm sâu mao dẫn đạt được tối đa 80 cm [54]. Kết quả này cho thấy trong thực tế ngâm gỗ, nếu nguyên liệu tẩm cĩ độ dài lớn thì khả năng thấm thuốc theo chiều ngang thớ đĩng vai trị quyết định.
Quá trình mao dẫn cịn chịu ảnh hưởng rất lớn từ độ ẩm gỗ. Độ ẩm liên kết trong gỗ cĩ tác dụng tích cực đến quá trình mao dẫn. Sự cĩ mặt của các nhĩm hydroxyl trong vách tế bào là nguyên nhân về sự liên hệ của các phân tử xenluloza với các phân tử nước. Bởi vì phân tử xenluloza [+C6H702(OH)3- ]n là một phân tử cĩ cực. Phân tử nước (H+ OH- ) cũng là một phân tử cĩ cực. Do phân tử xenluloza cĩ phân tử lượng lớn hơn rất nhiều so với phân tử nước nên phân tử xenluloza sẽ hút các phân tử nước lên trên bề mặt của nĩ tạo thành mối liên kết điện hố học. Một số thí nghiệm tẩm gỗ Bạch Dương [25] với các lơ mẫu cĩ độ ẩm khơ kiệt và lơ mẫu cĩ độ ẩm thăng bằng (≈ 9%) đã cho kết quả vận tốc tẩm mao dẫn ở mẫu cĩ độ ẩm khơ kiệt chậm hơn so với mẫu ở độ ẩm thăng bằng. Khi ẩm liên kết đã bão hồ trong vách tế bào, ẩm tự do đã bắt đầu xuất hiện, nĩ sẽ gây cản trở cho quá trình mao dẫn. Bởi khi lượng ẩm tự do chưa đủ lớn để lấp đầy các mao mạch, sẽ xuất hiện các túi khí gây cản trở cho dịng chất lỏng chuyển động trong mao mạch. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Jamen. Nhưng khi lượng ẩm tự do tương đối lớn, thơng
thường W > 50% thì thuốc bảo quản thấm vào gỗ theo nguyên lý khuyếch tán, hiệu ứng Jamen sẽ khơng gây ảnh hưởng mạnh như quá trình mao dẫn. Do vậy, khi tẩm gỗ theo nguyên lý mao dẫn, để thuốc bảo quản thấm tốt vào gỗ thì độ ẩm của gỗ tẩm khơng nên sấy đến độ ẩm khơ kiệt, nhưng cũng khơng nên vượt quá điểm bão hồ thớ gỗ (ở những loại gỗ nhiệt đới, điểm bão hồ khoảng 33-35%) [57].