Zbornik gozdarstva in lesarstva 73, s. 123 - 135 * univ.dipl.inž.les., Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Rožna dolina c. VIII/34, 1001 Ljubljana, SLO ** prof. dr., Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Rožna dolina c. VIII/34, 1001 Ljubljana, SLO *** doc. dr., Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Rožna dolina c. VIII/34, 1001 Ljubljana, SLO GDK: 812.8+176.1 Fagus sylvatica L.:174 Picea abies L.(045) Prispelo / Recieved: V aprilu, 2004 Izvirni znanstveni članek Sprejeto / Accepted: 15. 6. 2004 Original scientific paper VPLIV TEMPERATURE TERMIČNE OBDELAVE NA DIELEKTRIČNE LASTNOSTI LESA Matej JOŠT*, Jože RESNIK**, Milan ŠERNEK*** Izvleček: V prispevku so predstavljeni rezultati vpliva temperature termične obdelave na dielektrične lastnosti bukovine (Fagus sylvatica L.) in smrekovine (Picea abies L.). V eksperimentu smo uporabili diskaste preskušance premera 45 mm in debeline 5 mm, ki smo jih termično obdelali pri sedmih različnih temperaturah (50 do 200 °C). Dielektrične lastnosti preskušancev smo ugotavljali pri devetih različnih frekvencah (2 do 10 MHz). Vse meritve smo opravili pri sobni temperaturi z impedančnim analizatorjem HP 4191A RF po metodi z mikrometrom, na katerega sta bili pritrjeni diskasti aluminijasti elektrodi. Na osnovi dobljenih rezultatov smo ugotovili, da se dielektrična vrednost lesa in izgubni kot zmanjšujeta z naraščajočo temperaturo obdelave, če je le-ta višja od 100 °C. Dielektrična vrednost lesa je nižja pri večji izgubi mase preskušanca. Ključne besede: dielektrične lastnosti, temperatura, segrevanje, les, visoka frekvenca INFLUENCE OF THERMAL TREATMENT TEMPERATURE ON THE DIELECTRIC PROPERTIES OF WOOD Abstract: The effect of thermal treatment temperature on the dielectric properties of beech (Fagus sylvatica L.) and spruce (Picea abies L.) was investigated. Wood disks with a diameter of 45 mm and a thickness of 5 mm were thermally treated at seven different temperatures (50 to 200 °C) before measurements were performed. Dielectric properties of the wood disks were measured at nine various frequencies (2 to 10 MHz) at room temperature. The impedance analyzer HP 4191A RF and the micrometer screw method with circular aluminum electrodes were used. The results indicate that the dielectric constant and the loss tangent of wood decrease as the temperature of the thermal treatment increases, provided the temperature is higher than 100 °C. The dielectric constant also decreases with increasing weight loss of the specimen. Key words: dielectric properties, temperature, heating, wood, high-frequency 7_jost.indd 123 21.7.2004 8:31:29 124 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 73 VSEBINA CONTENTS 1 UVOD..........................................................................................125 INTRODUCTION 2 CILJI RAZISKAVE..................................................................126 OBJECTIVES 3 MATERIAL IN METODE.......................................................127 MATERIAL AND METHODS 4 REZULTATI MERITEV IN DISKUSIJA...............................129 RESULTS AND DISCUSSION 5 SKLEPI.......................................................................................133 CONCLUSIONS 6 SUMMARY.................................................................................134 7 VIRI..............................................................................................135 REFERENCES 7_jost.indd 124 21.7.2004 8:31:29 125 Jošt, M., Resnik, J., Šernek, M.: Vpliv temperature termične .... 1 UVOD INTRODUCTION Les in lesni kompoziti so med predelavo, obdelavo ali izdelavo pogosto izpostavljeni ter- mičnim procesom, ki povzročijo spremembo njihovih lastnosti. Stopnja spremembe je pogojena predvsem z višino temperature in časom trajanja izpostavitve, odvisna pa je tudi od vlažnosti lesa, njegove gostote in kemične sestave. Lesno substanco v glavnem sestavljajo celuloza, lignin, polioze oziroma hemiceluloze in ekstraktivne snovi (FEN- GEL / WEGENER 1989). Celuloza lesa, ki je lahko visoko kristalinična, daje lesu trdnost. Lignin, ki je amorfna substanca, služi za povezavo celuloznih mikrofibril med seboj, he- miceluloze pa povečujejo lesu žilavost (WINANDY / ROWELL 1984). Zaradi različne kemične zgradbe so posamezne kemične komponente lesa različno temperaturno odpo- rne in se med izpostavitvijo povišani temperaturi obnašajo drugače kot les kot celota. Vpliv na termično povzročene spremembe pa imata tudi voda in zrak v lesu. Voda je lahko v lesu kot prosta voda in kot vezana oz. higroskopna voda (SIAU 1995). Predvsem slednja ima velik vpliv na lastnosti lesa, saj je v tem območju večina mehanskih lastnosti odvisna od vlažnosti lesa. Vrednosti za modul elastičnosti, upogibno trdnost in tlačno trdnost pada- jo z naraščanjem vlažnosti lesa. Ko je les izpostavljen povišani temperaturi, zrak (tj. zrak v lumnih lesnih celic in okoliški zrak) vpliva na kemične procese (npr. oksidacija in piroliza). Proces obdelave in predelave lesa pogosto vključuje segrevanje do določene temperature (npr. hidrotermična obdelava furnirske hlodovine, sušenje lesa in furnirja ter različne ob- like lepljenja lesa), ki v nekaterih primerih doseže vrednost 200°C in celo več. Pri povišani temperaturi se prične razpad nekaterih sestavin lesa, s čimer se spremeni njegova sestava. Vse sestavine lesa so relativno dobro obstojne do temperature okoli 100°C, medtem ko se pri višjih temperaturah njihova kemična sestava začne spreminjati. Če primerjamo ob- stojnost polioz, celuloze in lignina, lahko povzamemo, da so polioze najmanj, lignin pa najbolj temperaturno obstojna sestavina lesa. V splošnem se delež polioz v lesu z višanjem temperature povečuje, kar pa je le posledica krajšanja verig celuloze (FENGEL / WE- GENER 1989). Intenziven termični razpad celuloze se prične pri temperaturi nad 200°C, poleg tega pa pri višjih temperaturah potekata dehidracija in oksidacija celuloze. Lignin je temperaturno najbolj obstojna lesna sestavina, ki začne razpadati pri temperaturah nad 200°C. Glede na to, da je kemična sestava listavcev in iglavcev različna, se tudi tempera- turna obstojnost lesa razlikuje, pri čemer je les listavcev bolj temperaturno obstojen kot les iglavcev. 7_jost.indd 125 21.7.2004 8:31:30 126 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 73 Pri segrevanju in lepljenju lesa v visokofrekvenčnem elektromagnetnem polju (VF) je intenzivnost transformacije električne energije v toploto odvisna predvsem od dielek- tričnih lastnosti lesa, ki jih opredelimo z dielektrično vrednostjo in tangensom izgub- nega kota. Dielektrična vrednost snovi (ε) je definirana kot število, za katero se pove- ča kapaciteta kondenzatorja, če vakuum med njegovima elektrodama nadomestimo s to snovjo (KELLER / GETTYS / SKOVE 1993). V praktičnem pomenu je ε mera za električno energijo, ki se absorbira in shrani v obliki električne polarizacije v snovi v elektromagnetnem polju. Tangens izgubnega kota (tanδ) je mera za del energije, ki se absorbira v dielektriku in se spremeni v toploto. Definiran je kot razmerje med upo- rovnim (IR) in kapacitivnim (IC) tokom (RESNIK / BERČIČ / ŠTEMPELJ 1991). Dielektrična vrednost vakuuma je 1, dielektrična vrednost lesa pa se giblje med 2 in 10, kar je odvisno od številnih dejavnikov. Značilen vpliv na spremembo dielektričnih lastno- sti lesa ima lesna vrsta oz. njena gostota, vlažnost, temperatura, njegova kemična sestava, usmerjenost lesnih vlaken glede na silnice električnega polja in frekvenca (TORGOVNI- KOV 1993, RESNIK / BERČIČ / CIKAČ 1995, RESNIK / ŠERNEK 1996, RESNIK / ŠERNEK / KAMKE 1997, KHALID et al. 1999, MAKOVINY 2000, KABIR et al. 2000, KABIR et al. 2001). Večina naprav za merjenje dielektričnih lastnosti omogoča neposred- no odčitavanje tan δ, medtem ko ε izračunamo posredno. Običajno merimo kapacitivnost ploščnega kondenzatorja, v katerega vstavimo preskušanec. Kapacitivnost kondenzatorja (C) nam pove, kolikšen naboj lahko sprejme kondenzator pri napetosti enega volta. Za ploščni kondenzator jo izrazimo kot (KELLER / GETTYS / SKOVE 1993): C = (1) C kapacitivnost kondenzatorja (F) ε0 influenčna konstanta (8,85 × 10 -12 (As)2/Nm2) ε dielektričnost snovi S površina plošč kondenzatorja (m2) d razdalja med ploščama (debelina snovi med ploščama) (m) 2 CILJI RAZISKAVE OBJECTIVES V proizvodnji slojnatih lepljencev in LVL (slojnat furnirni les) kot surovino uporabljajo luščen furnir, ki je predhodno hidrotermično obdelan in sušen, pri procesu lepljenja pa d S�� � ��0 7_jost.indd 126 21.7.2004 8:31:30 127 Jošt, M., Resnik, J., Šernek, M.: Vpliv temperature termične .... pogosto uporabljajo segrevanje v VF elektromagnetnem polju. Les je med hidrotermično obdelavo in sušenjem izpostavljen visokim temperaturam, ki povzročijo v njem nekate- re spremembe. Lepljenje v VF elektromagnetnem polju je odvisno predvsem od dielek- tričnih lastnosti lepila in lesa, zato smo z raziskavo skušali ugotoviti vpliv temperature termične obdelave lesa na spremembo teh lastnosti. Ker so dosedanje podobne raziskave proučevale le vpliv temperature merjenja na dielektrične lastnosti lesa (JAMES 1977, TORGOVNIKOV 1993, KABIR et al. 2001, BHUIYAN / HIRAI / SOBUE 2002), smo v tej raziskavi preskušance izpostavili različnim temperaturam termične obdelave in nato pri sobni temperaturi ugotavljali njihove dielektrične lastnosti. 3 MATERIAL IN METODE MATERIAL AND METHODS 3.1 PRIPRAVA MATERIALA MATERIAL PREPARATION V eksperimentu smo uporabili diskaste preskušance premera 45mm in debeline 5mm iz bukovine (Fagus sylvatica L.) in smrekovine (Picea abies L.), ki smo jih pripravili iz zračno suhih radialnih desk. Za boljšo stično površino smo preskušance na obeh stičnih ploskvah obrusili. Pripravili smo 33 preskušancev posamezne lesne vrste, ki smo jih nato izpostavili sedmim različnim temperaturam (tj. termičnim obdelavam) od 50 do 200°C (preglednica 1). Ker ima vlažnost lesa zelo velik vpliv na dielektrične lastnosti (KABIR et al. 1997, KHALID et al. 1999, MAKOVINY 2000), smo skušali zagotoviti konstantno maso vode v preskušancih ne glede na trajanje in stopnjo termične obdelave. Tako smo preskušance po vsaki termični obdelavi klimatizirali v klima komori na določeno maso, ki smo jo kontrolirali s tehtanjem tik pred vsako meritvijo dielektričnih vrednosti. Povprečna vlažnost smrekovih preskušancev je bila po termični obdelavi pri 50°C 2,7%, bukovih pa 2,3%. Odstopanje mase med različnimi termičnimi obdelavami je bilo največ ±0,01g. Med procesom termične obdelave se je spremenila masa preskušancev (m), ki smo jo iz- razili kot odstotno izgubo mase (∆m) glede na maso absolutno suhega lesa (m0), ki je bila dosežena po 24 urnem sušenju pri 100°C: (2) % m mm�m 100 0 0 � � � 7_jost.indd 127 21.7.2004 8:31:31 128 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 73 Preglednica 1: Temperature termične obdelave, časi izpostavitve in izguba mase presku- šancev Table 1: Temperatures of thermal treatment, times of exposure and weight loss of specimens * Temperatura je od želene odstopala za manj kot ± 2°C * Deviation of temperature was less than ± 2°C 3.2 METODA METHOD Merjenje dielektričnih lastnosti preskušancev smo opravili z impedančnim analizatorjem HP4191ARF IMPEDANCE ANALYZER. Meritve v raziskavi smo opravili pri frekven- cah 2, 3, …, 10MHz. Tanδ in kapacitivnost C smo odčitali direktno, medtem ko smo dielektrično vrednost lesa ugotavljali posredno po metodi z mikrometrskim vijakom. Kot navaja TORGOVNIKOV (1993), je to ena izmed bolj primernih metod merjenja dielek- tričnih lastnosti pri frekvencah nad 0,1MHz. Pri tej metodi vpliv kapacitivnosti vodnikov in drugih delov na izračunan ε izključimo, kar zagotavlja natančnejše rezultate. Meto- da temelji na primerjavi kapacitivnosti sistema s preskušancem (C1) in brez preskušanca (C2). Najprej smo vstavili preskušanec med elektrodi kondenzatorja, ki sta bili namešče- ni na mikrometrski vijak in z vodniki povezani z impedančnim analizatorjem. Elektrodi sta bili iz aluminija in sta imeli obliko diska (slika 1). S privijanjem premične elektrode smo preskušanec stisnili med elektrodi in izmerili razdaljo med njima (debelina presku- šanca – d1) ter odčitali kapacitivnost celotnega sistema (C1). Nato smo preskušanec od- stranili in s približevanjem premične elektrode poiskali razdaljo (d2), pri kateri je bila kapacitivnost praznega kondenzatorja (C2) enaka prej izmerjeni kapacitivnosti (C1). Ker je C1=C2 lahko s pomočjo enačbe 1 zapišemo naslednjo zvezo (TORGOVNIKOV 1993): (3) εL dielektrična vrednost lesa εZ dielektrična vrednost zraka Temperatura [°C] / * Temperature [°C] 50 75 100 125 150 175 200 �as izpostavitve [ure] / Time of exposure [hours] 24 24 24 24 4 1 0,5 bukev / beech 0 0 0 0,195 0,507 0,971 1,558Izguba mase [%] / Weight loss [%] smreka / spruce 0 0 0 0,177 0,494 0,691 1,284 2 0 1 0 d S d S ZL ����� ���� 7_jost.indd 128 21.7.2004 8:31:32 129 Jošt, M., Resnik, J., Šernek, M.: Vpliv temperature termične .... V enačbi se krajšata influenčna konstanta (ε0) in površina plošč kondenzatorja (S). Die- lektrična vrednost zraka εZ je praktično enaka 1 (εZ = 1,00059), zato lahko za dielektrično vrednost lesa zapišemo enačbo: (4) Slika 1: Naprava za merjenje z mikrometrskim vijakom: diskast preskušanec lesa (1), fiksna elektroda (2), premična elektroda (3), mikrometrska glava (4), digitalni zaslon (5) in impedančni analizator (6) Figure 1: The measuring device with a micrometer screw: disk specimen of wood (1), fixed electrode (2), movable electrode (3), micrometer head (4), digital screen (5) and impedance analyser (6) 4 REZULTATI MERITEV IN DISKUSIJA RESULTS AND DISCUSSION 4.1 VPLIV TEMPERATURE TERMIČNE OBDELAVE NA DIELEKTRIČNE LASTNOSTI LESA INFLUENCE OF THERMAL TREATMENT TEMPERATURE ON THE DIELECTRIC PROPERTIES OF WOOD Rezultati meritev dielektrične vednosti lesa v odvisnosti od temperature termične obde- lave (Tto) so predstavljeni v preglednici 2 za bukove (Bu) in smrekove (Sm) preskušance. Meritve so bile opravljene pri devetih različnih frekvencah od 2 do 10 MHz. S statistično analizo smo ugotovili, da se dielektrična vrednost bukovine (εBu) in smrekovine (εSm) ne 2 1 d d L �� 4.963 C � 6 5 4 32 1 7_jost.indd 129 21.7.2004 8:31:33 130 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 73 spremeni bistveno do Tto = 100°C. Z naraščanjem Tto od 100 do 200°C pa se dielektrična vrednost obeh proučevanih lesnih vrst zmanjšuje. Na osnovi Duncanovega testa mnogo- terih primerjav lahko z 95% gotovostjo trdimo, da obstaja statistično značilna razlika med εBu lesa, obdelanega pri temperaturi 100 in 200°C, za bukove preskušance. Za smrekove preskušance je bila ugotovljena statistično značilna razlika med εSm pri termični obdelavi 100 in 175°C ter 100 in 200°C. Koeficient variacije meritev ε je bil v povprečju 2,73%. Preglednica 2: Dielektrične vrednosti bukovih (Bu) in smrekovih (Sm) radialnih presku- šancev v odvisnosti od temperature termične obdelave in frekvence Table 2: Dielectric values of beech (Be) and spruce (Sp) radial specimens at different tre- atment temperatures and at various frequencies Vzrok za zmanjševanje dielektrične vrednosti pri temperaturah termične obdelave nad 100°C je sprememba kemične sestave lesa in posledično sprememba mase preskušanca. Pri termični obdelavi do 100°C v lesu razpadejo le nekatere ekstraktivne snovi, ki imajo v lesu zelo majhen delež. Pri temperaturah nad 100°C pa se že lahko pojavi termični razpad nekaterih lesnih komponent, kot so hemiceluloze (FENGEL / WEGENER 1989), kar se odraža kot izguba mase lesne substance (preglednica 1). Ker je dielektrična vrednost lesa odraz kemične sestave in količine posameznih komponent (KHALID et al. 1999), se ob spremembi mase spremeni tudi dielektrična vrednost. Ugotovili smo, da dielektrična vrednost lesa pada linearno v odvisnosti od izgube mase na proučevanem območju (slika 2). Za bukovino smo ugotovili, da se ob povečanju izgube lesne mase za 1% dielektrič- na vrednost zmanjša za 0,050. Podobno zakonitost smo ugotovili pri smrekovini, kjer je zmanjševanje dielektrične vrednosti v odvisnosti od izgube mase nekoliko manj iz- razito. V tem primeru se εSm zmanjša za 0,038 za vsak odstotek izgube lesne mase. Bukovina je gostejša od smrekovine, kar je eden izmed glavnih razlogov, da je εBu > εSm (slika 3). Tudi drugi avtorji (PEYSKENS et al. 1984) navajajo podoben vpliv gostote na dielektrične last- Temperatura [°C] / Temperature [°C] Frekvenca/ 50 75 100 125 150 175 200 Frequency Dielektri�na vrednost / Dielectric value [MHz] Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp 2 2,299 1,966 2,300 1,940 2,288 1,908 2,306 1,929 2,258 1,906 2,255 1,900 2,256 1,890 3 2,324 1,953 2,269 1,911 2,286 1,921 2,280 1,905 2,278 1,884 2,252 1,885 2,254 1,866 4 2,302 1,934 2,258 1,909 2,276 1,890 2,299 1,896 2,242 1,892 2,250 1,864 2,228 1,861 5 2,297 1,932 2,249 1,889 2,252 1,881 2,274 1,892 2,240 1,862 2,230 1,857 2,211 1,846 6 2,289 1,920 2,238 1,883 2,246 1,872 2,257 1,880 2,222 1,858 2,223 1,849 2,208 1,839 7 2,280 1,911 2,229 1,865 2,232 1,868 2,242 1,872 2,216 1,851 2,211 1,842 2,205 1,834 8 2,269 1,904 2,219 1,866 2,227 1,861 2,241 1,868 2,212 1,848 2,204 1,835 2,193 1,821 9 2,259 1,898 2,216 1,863 2,219 1,856 2,231 1,862 2,204 1,840 2,198 1,829 2,185 1,818 10 2,255 1,892 2,207 1,854 2,214 1,849 2,227 1,855 2,198 1,836 2,194 1,822 2,177 1,812 7_jost.indd 130 21.7.2004 8:31:33 131 Jošt, M., Resnik, J., Šernek, M.: Vpliv temperature termične .... nosti lesa. Relativno znižanje dielektrične vrednosti je pri bukovini večje kot pri smrekovini. Slika 2: Dielektrične vrednosti bukovih in smrekovih radialnih preskušancev, merjene pri frekvenci 5MHz, v odvisnosti od izgube mase lesne substance. Vsaka točka predstavlja povprečje 10 meritev Figure 2: Dielectric values of beech and spruce radial specimens, measured at 5 MHz fre- quency according to the weight loss of wood material. Every point represents the average of 10 measurements Slika 3: Dielektrične vrednosti bukovih in smrekovih radialnih preskušancev pri različni temperaturi obdelave, merjene pri frekvenci 5 MHz Figure 3: Dielectric values of beech and spruce radial specimens at various treatment tem- peratures measured at a frequency of 5 MHz Enako kot dielektrična vrednost tudi izgubni faktor pada z naraščajočo temperaturo ter- mične obdelave lesa (preglednica 3). Trend padanja tanδ je pri smrekovini nekoliko bolj � = -0.050 �m + 2.281 R2 = 0.771 � = -0.038 �m + 1.895 R2 = 0.673 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Izguba mase [%] / Weight loss [%] � Bukev/Beech Smreka/Spruce 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 50 75 100 125 150 175 200 T [°C] � Bukev/Beech Smreka/Spruce 7_jost.indd 131 21.7.2004 8:31:34 132 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 73 izrazit kot pri bukovini. Koeficient variacije meritev tanδ je bil v povprečju 15,56%. Preglednica 3: Izgubni faktor bukovih (Bu) in smrekovih (Sm) radialnih preskušancev v odvisnosti od temperature termične obdelave in frekvence Table 3: Values of the loss tangent of beech (Be) and spruce (Sp) radial specimens at dif- ferent treatment temperature and at various frequencies Razlike v tanδ med obema lesnima vrstama pa so skoraj neopazne in statistično neznačil- ne. Rezultati tanδ za preskušance, ki so bili izpostavljeni temperaturi termične obdelave 50°C, so primerljivi z rezultati sorodnih raziskav. MAKOVINY (2000), ki je uporabil isto metodo pri frekvenci 20 MHz, je za bukovino z vlažnostjo 2,4% ugotovil dielektrično vrednost ε=2,33 in izgubni faktor tanδ=0,0448 (naša meritev ε=2,255 in tanδ=0,012 pri 10 MHz in vlažnosti 2,7%). TORGOVNIKOV (1993) pri frekvenci 0,92GHz navaja za smrekovino z vlažnostjo 5% dielektrično vrednost ε=1,8 in tanδ=0,08. Naši rezultati za smreko pri 10MHz in 2,3% vlažnosti so: ε=1,892 in tanδ=0,012. 4.2 VPLIV FREKVENCE ELEKTROMAGNETNEGA POLJA NA DIELEK TRIČNE LASTNOSTI LESA INFLUENCE OF THE FREQUENCY OF ELECTROMAGNETIC FIELD ON THE DIELECTRIC PROPERTIES OF WOOD Vpliv frekvence elektromagnetnega polja na dielektrične lastnosti lesa smo ugotavljali na območju od 2 do 10 MHz. Ugotovili smo, da dielektrična vrednost pada z naraščajočo frekvenco elektromagnetnega polja. Pri višji frekvenci se namreč manjše število molekul uspe v tako kratkem času poravnati s smerjo električnega polja (KHALID et al. 1999). Do podobnih zaključkov o padajočem trendu ε v odvisnosti od frekvence so prišli tudi drugi raziskovalci (KABIR et al. 1997, KABIR et al. 2000, KABIR et al. 2001, MAKOVINY 2000, KHALID et al. 1999). Pri meritvah so se sicer pojavila nekatera manjša odstopanja, Temperatura [°C] / Temperature [°C] Frekvenca/ 50 75 100 125 150 175 200 Frequency Izgubni faktor / Loss tangent [MHz] Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp Bu/Be Sm/Sp 2 0,012 0,012 0,014 0,013 0,012 0,013 0,011 0,010 0,012 0,012 0,013 0,013 0,011 0,012 3 0,010 0,011 0,012 0,011 0,011 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,009 0,009 0,009 4 0,011 0,010 0,011 0,011 0,011 0,011 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 5 0,012 0,012 0,011 0,011 0,011 0,011 0,010 0,010 0,011 0,011 0,011 0,011 0,010 0,010 6 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 7 0,012 0,012 0,011 0,012 0,012 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,010 8 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 9 0,012 0,012 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,010 0,010 0,010 10 0,012 0,012 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,011 0,010 0,011 0,010 0,010 0,010 7_jost.indd 132 21.7.2004 8:31:35 133 Jošt, M., Resnik, J., Šernek, M.: Vpliv temperature termične .... ki so lahko posledica slučajnih vplivov, vendar niso bila statistično značilna (slika 4). Slika 4: Dielektrične vrednosti bukovih in smrekovih radialnih preskušancev po termični obdelavi pri 150°C v odvisnosti od frekvence elektromagnetnega polja Figure 4: Dielectric values of beech and spruce radial specimens after treatment at tempe- rature 150°C according to the frequency of electromagnetic field Na celotnem obravnavanem območju frekvence elektromagnetnega polja je izgubni faktor skoraj konstanten, pojavila so se le nekatera zelo majhna odstopanja, ki pa statistično niso bila značilna. 5 SKLEPI CONCLUSIONS V okviru proučevanih parametrov smo v eksperimentu ugotovili: 1. Dielektrična vrednost lesa (ε) in izgubni faktor (tan δ) se zmanjšujeta z naraščajočo temperaturo termične obdelave, ko je ta višja od 100°C. Statistično značilne spremembe se pri smrekovini pojavijo pri temperaturi izpostavitve 175°C, medtem ko se pri bukovini pojavijo šele pri temperaturi okrog 200°C. 2. Med spremembo dielektričnih lastnosti lesa in izgubo lesne mase obstaja linearna padajoča zveza. 3. Bukovina ima višjo dielektrično vrednost kot smrekovina, kar je predvsem posledica višje gostote bukovine. 4. Razlike v tan δ med bukovino in smrekovino so majhne in niso statistično značilne. 5. Na območju merjenja od 2 – 10 MHz ε počasi pada z naraščajočo frekvenco, medtem ko vpliv frekvence na tan δ ni bil statistično značilen. 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Frekvenca [MHz] / Frequency [MHz] � Bukev/Beech Smreka/Spruce 7_jost.indd 133 21.7.2004 8:31:35 134 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 73 6 SUMMARY Since dielectric properties are very important in high-frequency heating of wood, the main objective of this study was to determine the influence of thermal treatment on the dielectric properties of two wood species. Beech (Fagus sylvatica L.) and spruce (Picea abies L.) were used and cut into radially oriented disk specimens with a diameter of 45 mm and a thickness of 5 mm. 33 specimens of each wood species were exposed to seven different temperatures ranging from 50 to 200°C (table 1). After the thermal treatment, the specimens were con- ditioned to constant mass, which was controlled by weighting prior to dielectric measure- ments. During the thermal treatment, the mass of specimens (m) had changed because of the decay of some wood chemical components. This change was identified as a weight loss. Dielectric properties of specimens were measured by HP 4191A RF IMPEDANCE ANA- LYZER at nine frequencies (2, 3, …, 10 MHz) and at room temperature. Loss tangent (tan δ) and capacitance (C) were measured directly, while the dielectric constant (ε) was calculated using the micrometer screw method. This method excludes the capacitance of wires and other parts of the device on the calculated dielectric constant. Therefore, the result is more accurate. The results of the measurement show that the dielectric constant of beech is higher than that of spruce. Beech has higher specific gravity than spruce; and since dielectric properties inc- rease with the density of wood, this result was expected. The results indicated that the die- lectric constant and the loss tangent of wood decreased with increasing temperature of the thermal treatment, if the temperature was higher than 100°C. Increasing the temperature of thermal treatment up to TT=100°C did not cause ε of both wood species to change significan- tly but, on the other hand, an increase in TT from 100 to 200°C led to a significant increase in ε of both observed wood species (figure 3). The main reason for this result is that only some extractives in wood are degraded at the temperature under 100°C, but when temperature is increased, the changes of chemical structure become more significant. It was also evident that the mass of the specimens decreased with thermal treatments above 100°C. It was fo- und that ε of wood decreased linearly with increasing weight loss of the specimen (figure 2). In the observed frequency range 2 – 10 MHz, the dielectric constant decreased with inc- reasing frequency (figure 4), while the influence of frequency on loss tangent was not statistically significant. It is assumed that fewer water molecules are able to align with the electric field when the frequency increases, thus causing the dielectric constant of wood to decrease. 7_jost.indd 134 21.7.2004 8:31:36 135 Jošt, M., Resnik, J., Šernek, M.: Vpliv temperature termične .... 7 VIRI REFERENCES BHUIYAN M. T. R. , HIRAI N., SOBUE N. 2002. Behaviour of piezoelectric, dielectric, and elastic constants of wood during about 40 repeated measurements between 100°C and 220°C. J Wood Sci 48:1-17 FENGEL D., WEGENER G. 1989. Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Berlin, New York, Walter de Gruyter: 319-344 JAMES W. L. 1977. Dielectric behaviour of douglas-fir at various combinations of temperature, frequency, and moisture content. Forest Products Journal, 27, 6: 44-48 KABIR M.F., KHALID K. B., DAUD W. M., SIDEK H. A. A. 1997. Dielectric properties of rubber wood at microwave frequencies measured with an open-ended coaxial line. Wood and Fiber Science, 29, 4: 319-324 KABIR M.F., DAUD W. M., KHALID K. B., SIDEK H. A. A. 2000. Equivalent circuit modeling of the dielectric properties of rubber wood at low frequency. Wood and Fiber Science, 32, 4: 450-457 KABIR M.F., DAUD W. M., KHALID K. B., SIDEK H. A. A. 2001. Temperature dependence of the dielectric properties of rubber wood. Wood and Fiber Science, 33, 2: 233-238 KELLER F. J., GETTYS E. W., SKOVE J. M. 1993. Physic: Classical and Modern, New York, McGraw-Hill: 586-592 KHALID K. B., KABIR M.F., DAUD W. M., SIDEK H. A. A. 1999. Multi-component mixture modeling of the dielectric properties of rubber wood at microwave frequencies. Holzforschung, 53, 6: 662-668 MAKOVINY I. 2000. Dielectric and electromagnetic characteristic of beech wood. Drevarsky vyskum, 45, 3: 23-34 PEYSKENS E., DE POURCQ M., STEVENS M., SCHALCK J. 1984. Dielectric properties of softwood species in microwave frequencies. Wood Science and Technology, 18: 267-280 RESNIK J., BERČIČ S., CIKAČ B. 1995. Visokofrekvenčno segrevanje in lepljenje lesa. Ljubljana, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo: 109 str RESNIK J., BERČIČ S., ŠTEMPELJ M. 1991. Visokofrekvenčno lepljenje lesa in poraba električne energije. Les, 42, 9-10: 245-249 RESNIK J., ŠERNEK M. 1996. Vpliv gradienta vlažnosti na gradient temperature pri visokofrekvenčnem segre- vanju in lepljenju. Les, 48, 7-8: 209-213 RESNIK J., ŠERNEK M., KAMKE F. A. 1997. High-frequency heating of wood with moisture content gradient. Wood and Fiber Science, 29, 2: 264-271 SIAU J.F. 1995. Wood: Influence of Moisture on Physical Properties. Virginia Polytechnic Institute and State University. 227 str TORGOVNIKOV G. I. 1993. Dielectric properties of wood and wood based materials. Berlin, Springer – Verlag: 195 str WINANDY J.E., ROWELL R.M. 1984. The chemistry of wood strength, Washington, D.C. 211-255 7_jost.indd 135 21.7.2004 8:31:36 136 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 73 7_jost.indd 136 21.7.2004 8:31:36