The longitudinal Young's modulus of Pinus radiata

Summary The variation of the longitudinal Young's modulus with mean cellulose microfibril angle of the wood substance of the earlywood of a softwood has been determined from small clear samples.The longitudinal Young's modulus falls steeply as the angle between the longitudinal axis and the mean microfibril direction in the cell walls increases. The variation has been explained in both form and magnitude by applying the elastic theory of a fibre composite material with distributed fibre directions to a model of the experimental material. It confirms the two phase concepts of the plant cell wall, as far as the elastic properties are concerned, of rigid crystalline microfibrils embedded in an isotropic matrix of amorphous and paracrystalline materials.

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Zusammenfassung Die Änderung des Young-Moduls in longitudinaler Richtung mit dem mittleren Winkel der Cellulose-Mikrofibrillen in der Frühholzsubstanz von Nadelholz wurde an kleinen, fehlerfreien Proben bestimmt.Der longitudinale Young-Modul fällt mit zunehmendem Winkel zwischen Längsachse und mittlerer Mikrofibrillen-Richtung in der Zellwand steil ab.Die Änderung wurde nach Form und Größe durch Anwendung der Elastizitätstheorie für ein faseriges Material mit wechselnden Faserrichtungen auf ein Modell aus dem Versuchsmaterial erklärt. Das Zwei-Phasen-Modell der Pflanzenzellwand wird damit bestätigt, soweit es sich um die elastischen Eigenschaften von starren, kristallinen Cellulose-Mikrofibrillen handelt, die in einer isotropen Matrix aus amorphem, parakristallinen Material eingebettet sind.

     

Ultramicrotomy,its application in wood research

Summary Forced by the progressive perfectionation of the ultramicrotomes and by the improvement of preparation methods, the ultrathin sectioning technique has gained high importance for the electron-microscopical studies of the fine structure of wood cell walls.Wood has its own problems for ultramicrotomy. During cutting, the inhomogeneity of the cell wall and its chemical nature result in the formation of wrinkles and holes in the ultrathin sections. These artefacts are not completely avoidable but can be reduced by suitable embedding and by choosing the most suitable knife to a minimum.It is pointed out that for the best and most reliable statement on the object the cutting of serial sections is indispensable.

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Zusammenfassung Begünstigt durch die fortschreitende Perfektionierung der Ultramikrotome und durch die Verfeinerung der Präparationsmethoden erlangte die Ultradünnschnitt-Technik große Bedeutung für die elektronenmikroskopische Untersuchung der Feinstruktur der Holzzellen.Als Objekt der Ultramikrotomie hat Holz seine eigenen Probleme. Beim Schneiden ergibt sich aus der Inhomogenität der Zellwand und ihrer chemischen Natur die Bildung von Falten und Löchern in den Ultradünnschnitten. Diese Artefakte lassen sich nicht völlig vermeiden, doch sie können durch eine geeignete Einbettung und die Wahl des am besten geeigneten Messers auf ein Minimum gebracht werden.Es wird hervorgehoben, daß für die beste und zuverlässigste Aussage über das Objekt die Herstellung von Serienschnitten unbedingt erforderlich ist.

     

The effect of extractives on water-vapor sorption by wood

Summary The 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.

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Zusammenfassung Die 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.

     

The ultrastructure of wood

Summary The woody cell wall starts ontogenetically as an isotropic gel termed matrix which is later reinforced by elementary fibrils of cellulose and finally encrusted with lignin. The parallel texture of the fibrils induces the striking anisotropy of the wall. The reinforcing effect of the fibrils depends on the square of their length, their friction coefficient towards the matrix and the shear modulus (rigidity) of the matrix. Since the diameter of the reinforcing fibrils is not essential, but as their number is decisive, it makes sense that the cellulose fibres are dispersed down to the tiny elementary fibrils of only 35 Å diameter!Based on the reinforced matrix concept, the irregular longitudinal shrinkage of wood samples depending on the helical angle of their tracheid ultratexture can be explained, but for the pronounced shrinkage anisotropy perpendicular to the wood axis the amount of cell wall substances liable to considerable hydration in radial and tangential walls must be taken into consideration.

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Zusammenfassung Die verholzte Zellwand besteht bei der Zellteilung ursprünglich aus einem isotropen Gel, der Matrix; später wird diese plastische Masse durch Elementarfibrillen aus Cellulose verstärkt und schließlich mit Lignin inkrustiert. Die Paralleltextur der Fibrillen verursacht die auffallende Anisotropie der Zellwand. Die Wandverstärkung durch die Fibrillen ist eine Funktion des Quadrates ihrer Länge, ihrer Reibungszahl mit Bezug auf die Matrix und des Schubmoduls (Steifheit) der Matrix. Da der Durchmesser der verstärkenden Fibrillen eine untergeordnete, die Zahl dieser Elemente dagegen eine entscheidende Rolle spielt, scheint es sinnvoll, daß die Fasercellulose in der Form von Elementarfibrillen bis zu einem Dispersionsgrad von 35 Å aufgeteilt ist!Auf Grund der Theorie der armierten Matrix kann das unregelmäßige Längsschwindmaß von Holzproben in Abhängigkeit vom Steigungswinkel der Schraubentextur ihrer Tracheiden erklärt werden. Andererseits müssen für das Verständnis der ausgesprochenen Schwindungsanisotropie auf dem Holzquerschnitt die verschiedenen Mengen stark quellbarer Membransubstanzen in den Radial-und Tangentialwänden in Betracht gezogen werden.

     

Wettability and the hysteresis effect in the sorption of water vapor by wood

Summary The hysteresis effect in the adsorption and desorption of water vapor by wood has been variously explained as a consequence of differences in (1) the availability of bonding sites for sorption on molecular surfaces, (2) the degree of aggregation of a swelling or shrinking cellulosic gel system, and (3) the wettability of submicroscopic capillaries within the cell wall.The wettability hysteresis of 28 tropical woods, calculated as the ratio of cosines of advancing and receding contact angles made by water, has been determined by the inclined plate method.For 13 of these species the availability of complete sorption isotherms permitted analysis by means of the Hailwood-Horrobin model to differentiate between monomolecular and polymolecular sorbed moisture. In the upper range of relative humidities, total sorption hysteresis is primarily the result of hysteresis in polymolecular sorption.Positive relationships found in this study between polymolecular sorption hysteresis and wettability hysteresis are consistent with the Kelvin equation with respect to the effect of varying contact angle and give at least partial support to Zsigmondy's explanation of hysteresis as a phenomenon of capillary condensation.Total sorption hysteresis for all 28 species in the upper range of relative humidities was also positively correlated with wettability hysteresis due to the predominant effect of polymolecular sorption hysteresis. It may be concluded that in the range of relative humidity above 60 percent, hysteresis shown by typical sigmoid isotherms is to a considerable degree a phenomenon of capillary condensation explainable by the Kelvin equation in its complete form including cosine of contact angle.

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Zusammenfassung Die Hysterese bei Adsorption und Desorption von Wasserdampf in Holz wird in der Regel als Folge von Unterschieden bei 1. der Zugänglichkeit von Bindungsstellen für die Sorption an molekulare Schichten, 2. des Aggregatzustandes eines quellenden oder schwindenden Cellulose-Gel-Systems und 3. der Benetzbarkeit der submikroskopischen Kapillaren innerhalb der Zellwand erklärt. Die Benetzbarkeits-Hysterese bei 28 tropischen Holzarten wurde durch das Verfahren mit geneigter Ebene bestimmt durch die Berechnung des Verhältnisses der cos-Werte des vorderen und hinteren Kontaktwinkels von Wasser.Bei 13 der geprüften Holzarten erlaubte das Vorhandensein der vollständigen Sorptionsisothermen eine Analyse mit Hilfe des Hailwood-Horrobin-Modells zur Unterscheidung zwischen monomolekular und polymolekular sorbierter Feuchtigkeit. In den höheren Bereichen der relativen Feuchtigkeit ist die Gesamtsorptionshysterese vorwiegend das Ergebnis der polymolekularen Sorption.Die in dieser Untersuchung gefundenen positiven Zusammenhänge zwischen der Hysterese der polymolekularen Sorption und der Benetzungshysterese stehen in Übereinstimmung mit der Kelvinschen Gleichung hinsichtlich des Einflusses des variierenden Kontaktwinkels und sie unterstützen, zumindest teilweise, die Theorie von Zsigmondy über die Hysterese als einer Erscheinung der Kapillar-Kondensation.Im oberen Bereich der relativen Feuchtigkeiten korrelierte die Gesamt-Sorptionshysterese für alle 28 Holzarten ebenfalls positiv mit der Benetzungshysterese infolge des überwiegenden Einflusses der polymolekularen Sorptionshysterese. Hieraus kann geschlossen werden, daß im Bereich der relativen Feuchtigkeit über 60% die Hysterese, die sich in einem typischen S-förmigen Verlauf der Sorptionsisothermen zeigt, zu einem wesentlichen Grade eine Erscheinung der Kapillarkondensation ist und durch die gesamte Kelvin-Gleichung, einschließlich des cos-Kontaktwinkels, erklärt werden kann.

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This research is part of a comprehensive study being conducted at the Yale School of Forestry in cooperation with the Office of Naval Research, U.S. Navy, under Contract No. 609(13), Project NR 330-001, Properties of Tropical Woods.     

Unterschiedliche Wurzelbildung bei Kiefern verschiedener Provenienz

Im Rahmen der im Münchner Waldbauinstitut derchgeführten Wurzeluntersuchungen (Köstler, J. N., 1962) wurde geprüft, ob verschiedene Rassen einer Baumart auch verschiedene Anlagen bei der Wurzelbildung aufweisen. Es war naheliegend, dabei in erster Linie an die Kieferpinus silvestris) zu denken, da für diese Baumart umfangreiche Provenienzversuche vorliegen. Bei der Überprüfung der von München aus leicht erreichbaren und durch die Standortverhältnisse (ungehemmte Wurzelentfaltung) die entsprechenden Voraussetzungen bietenden Flächen wurde die Aufmerksamkeit auf Versuchsflächen in Staatswaldrevieren der Oberpfalz gelenkt.Im Jahre 1936/37 wurden durch das Institut für Forstpflanzenzucht und Samenkunde der Waldsamen-Prüfungsanstalt Eberswalde, unter Leitung von Prof. Dr.W. Schmidt, in den Forstämtern Bodenwöhr und Tirschenreuth mit finanzieller Unterstützung durch das Reichsforstamt ausgedehnte Versuchsflächen für eine große Zahl von Kiefernherkünften aus dem damaligen Reichsgebiet angelegt. Die Versuchsflächen wurden 1948 von der Ministerialforstabteilung des Bayerischen Staatsministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten dem Institut für Forstsamenkunde und Pflanzenzüchtung unter Leitung von Prof. Dr.E. Rohmeder übertragen. Sie werden von diesem Institut seitdem betreut. Aus der großen Zahl von Provenienzen wurden vier als in der Wuchsentwicklung deutlich differenziert fü die Wurzelgrabungen ausgewählt.Ein analoger Provenienzversuch wurde 1936 auch im württ. Forstamt Schussenried angelegt. Die mit Unterstützung der Baden-Württembergischen Forstlichen Versuchs- und Forschungsanstalt 1962 durchgeführten Grabungen führten zu dem wertvollen Aufschluß, daß die dortigen Bodenverhältnisse Unterschiede in der Bewurzelung verschiedener Kiefernrassen überdecken.Für die Mithilfe darf der Oberforstdirektion Regesburg sowie den örtlichen Forstämtern und dem Institut für Forstsamenkunde und Pflanzenzüchtung gedankt werden. In gleicher Weise wird der Baden-Württembergischen Forstlichen Versuchsanstalt (Herrn LandforstmeisterHausser) ergebenst gedankt. J. N. Köstler      

Über das Verhalten von Hausbockkäfer-Larven in verschiedenen Splintholzzonen

Zusammenfassung Hausbocklarven verschiedenen Gewichtes wurden in ungleich großen Abständen von der Rinde bzw. der Kerngrenze in den Splint hauptsächlich von Kiefernkantholzabschnitten verbracht. Nach mehrmonatiger Haltung unter kontrollierten Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen wurden der Verlauf der Fraßgänge festgestellt und — soweit es sich um Eilarven handelte — einige Ermittlungen über das Gedeihen der Tiere vorgenommen. Als Ergebnis war folgendes zu verbuchen:Die Larven waren nicht in ihrer jeweiligen Einsetzzone verblieben, sondern hatten das Splintholz regellos, aber unter gelegentlicher Bevorzugung der peripher gelegenen Schichten mit Bohrgängen durchzogen.Ein Einfluß geotaktischer Reaktionen auf die Wanderung der Larven konnte bei horizontaler Lagerung der Kanthölzer nicht eindeutig festgestellt werden.Mehrere Zentimeter tief in das Holz gesetzte Eilarven zeigten nur geringes Wachstum und hohe Sterblichkeitsziffern.Die Bedeutung der Versuchsresultate für die chemische Bekämpfung des Schädlings wird diskutiert.

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Summary In experiments larvae of the house longhorn beetle were brought at different distances from the bark or the heartwood-limit into the sapwood of pine logs mainly. After a feeding period of several months the following could be stated:The larvae did not stay in the zones where they had been put in but had crossed irregularly through the whole sapwood constructing their food-galleries.Egg-larvae put into the wood to a depth of several centimeters had but a slow growth and a high mortality.The importance of the results is discussed with regard to the chemical pest control.

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Die Untersuchungen erfolgten in Rahmen einer vom Bundesministerium für Wohnungswesen, Städtebau und Raumordnung dankenswerterweise finanziell unterstützten Forschungsaufgabe.     

Erhaltungszucht mit Überschuß von Musca domestica L. (Diptera,Muscidae)

Zusammenfassung Für die Prüfung der biologischen Wirksamkeit von Mitteln zur Bekämpfung von hygienisch wichtigen Fliegen, wie auch für zu entwickelnde Testverfahren zur Bewertung subakuter Wirkungen von Chemikalien in Böden (Ökotoxikologie), ist die Massenzucht der betreffenden Fliegenart Voraussetzung. Die Kosten-Nutzen-Relation zwingt zur Abkehr von einer dauerhaften Massenhaltung hin zu Erhaltungszucht mit Überschuß, wie sie vonIglisch (1985) definiert worden ist.Auf langjähriger, praktischer Erfahrung basierend, werden der Lebenszyklus vonM. domestica unter Bedingungen im Laboratorium, Zuchteinrichtungen und Gefäße sowie das technische Material für die Aufzucht von Larven und Imagines, die Zusammensetzung des Larvenmediums und die Aufzucht der Larven, die Vorratshaltung der Nahrungssubstanzen, und Pflegemaßnahmen beschrieben. Weiterhin werden Richtzahlen zum kurzfristigen Aufbau einer Massenzucht aus Überschüssen an Eiern und Puppen gegeben. Die Gewinnung einer annähernd definierten Menge an Larven für ökotoxikologische Testzwecke wird beschrieben. Zum Arbeitsaufwand und der Kostenzusammensetzung wird Stellung genommen.

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Maintenance breeding with surplus ofMusca domestica L. (Diptera, Muscidae)

Facilities for the mass breeding of fly species are a prerequisite for evaluation of the biological efficacy of products to control fly species of hygienic importance and of subacute effects of chemicals in soils (exotoxicology). Because of the costbenefit ratio, permanent mass breeding has to be abandoned in favour of maintenance breeding with surplus as defined byIglisch (1985).On the basis of many years of practical experience, the life cycle ofM. domestica under laboratory conditions, breeding equipment and containers as well as the technical material needed for raising larvae and adults, composition of the medium for larvae and breeding of larvae, keeping of feeding substances in stock and nursing measures are described. Orienting figures for a short-term build-up of a mass breeding from surplus eggs and pupae are given. It is described how an approximately defined amount of larvae can be obtained for purposes of ecotoxicological testing. Expenditure in terms of labour and composition of costs are commended.

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Mit 2 Abbildungen und 2 Tabellen     

Recent progress in the chemistry of wood hemicelluloses

Summary Following a brief review of the general chemical composition of wood, the present status of the chemistry of the wood hemicelluloses is summarized, with special emphasis on recent contributions. The distribution of the hemicelluloses in the various wood tissues and wood cells and over the cell wall of tracheids and fibers is discussed in somewhat more detail. In conclusion, problems still to be solved in the chemistry of wood hemicelluloses are mentioned, and an attempt is made to predict future developments in this field.

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Zusammenfassung Anschließend an eine kurze Übersicht über die gesamte chemische Zusammensetzung des Holzes folgt eine Zusammenfassung über den Stand der Chemie der Hemicellulosen des Holzes, unter besonderer Berücksichtigung neuer Veröffentlichungen. Die Verteilung von Hemicellulosen in den verschiedenen Holzgeweben, in den Holzzellen und über die Zellwände von Tracheiden und Fasern wird eingehend erörtert. Abschließend werden die noch ungelösten Fragen in der Chemie der Hemicellulosen behandelt und der Versuch gemacht, die künftige Entwicklung auf diesem Gebiet darzustellen.

     

The anisotropic elasticity of the plant cell wall

Summary The plant cell wall is treated as a two phase fibre composite material in which the fibres are dispersed, in an isotropic matrix, in the plane of the cell wall with an angular distribution f(). If f () can be represented by a gaussian it is shown that the elastic stiffness constants of the cell wall can be easily evaluated. The theory is applied to a model of the earlywood of Pinus radiata and the theoretical variation of the longitudinal Young's Modulus with mean fibrilar direction is compared with that determined experimentally.

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Zusammenfassung Die pflanzliche Zellwand wird im allgemeinen behandelt wie ein im wesentlichen aus zwei Phasen bestehendes Fasermaterial, bei dem die Fasern in einer isotropen Matrixsubstanz gelöst und in der Zellwandebene mit einem Winkel f() verteilt sind. Sofern f() normal verteilt ist, können die elastischen Konstanten der Zellwand verhältnismäßig einfach berechnet werden. Diese Theorie wird auf das Modell von Kiefern-Frühholz (Pinus radiata) angewendet, und die theoretisch ermittelte Änderung des longitudinalen Youngs Moduls mit der mittleren Faserrichtung wird mit experimentell bestimmten Werten verglichen.

     

A contribution to the ultrastructure of tension wood fibers

Summary Pronounced tension wood from four North-American hardwood species has been examined by light and electron microscopy. Delignified fibers were also studied. The gelatinous layer was in all cases loosely attached to S₂ but varied considerably in thickness within each species and was in one case terminated towards the lumen by a layer resembling S₃. A terminal lamella was not observed. After considering both earlier evidence and the present results, it was concluded that the gelatinous layer has neither a honeycomb nor a homogeneous texture, as has been suggested, but that it consists of concentric lamellae of cellulose microfibrils. In the absence of hemicelluloses and lignin, the microfibrils are probably bound together less firmly than they are in other cell wall layers. The gelatinous layer is more readily separated from the remainder of the cell wall by mechanical forces than by chemical reagents.

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Zusammenfassung Zugholz von vier nordamerikanischen Laubbäumen wurde im Licht-und im Elektronenmikroskop ebenso wie entlignifizierte Fasern untersucht. Die gelatinöse Schicht war überall locker an die S₂ gebunden, zeigte aber sehr verschiedene Dicken und war in einem Fall gegen das Lumen von einer Schicht, die der S₃ ähnlich sah, begrenzt. Eine Abschlußlamelle konnte nicht beobachtet werden. Frühere und die eigenen Resultate zeigten, daß die gelatinöse Schicht weder eine Wabenstruktur noch eine homogene Struktur besitzt, sondern daß sie aus konzentrischen Lamellen von Cellulosemikrofibrillen besteht. Da Hemicellulosen und Lignin nicht vorhanden sind, sind die Mikrofibrillen wahrscheinlich nicht so fest aneinander gebunden wie in den anderen Zellwandschichten. Die gelatinöse Schicht läßt sich von der übrigen Zellwand durch mechanische Kräfte leichter als durch chemische Reagenzien trennen.

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This investigation was supported by the United States Department of Agriculture, Forest Service, through Forest Service Research Grant No. 1, which is hereby gratefully acknowledged.     

Über den Einfluß der Herbizide Paraquat und Simazin auf die Fauna forstlich genutzter Böden

Zusammenfassung In zwei Feldversuchen zeigte Simazin sehr unterschiedliche Wirkungen auf die Bodenfauna. In einem langfristig weitgehend unkrautfrei gehaltenen Pflanzgarten zeigte sich bei Überdosierungen ein deutlich hemmender Einfluß auf einige Bodentiergruppen. Auf einer grasüberwachsenen Fichtenkultur wurde dagegen auf der simazinbehandelten Fläche eher eine Förderung der Bodentierwelt beobachtet. Es wird hierbei vermuter, daß im ersten Fall der Mangel im zweiten Fall der reichliche Anfall an verrottbarem organischem Material von großem Einfluß war und die Ausgangssituation bzw. die Behandlung der Vergleichsflächen für das Ergebnis von wesentlicher Bedeutung war. Praktisch gelingt es auch bei intensivem Jäten nicht, Kontrollflächen genauso gründlich und nachhaltig unkrautfrei zu halten, wie dies mit geeigneten Herbiziden möglich ist. Der bewuchs der Flächen hat jedoch Rückwirkungen auf die Nahrungsbasis der Bodentiere, das Bodenklima und die Bodenstruktur. Insofern standen hier wohl eher ökologische als toxikologische Nebenwirkungen der Herbizide im Vordergrund.Laboruntersuchungen zeigten, daß die beiden Herbizide in höherer Dosierung die Überlebensdauer von hungernden Hornmilben beeinträchtigen könne. Allerdings dürften hier wirksame Konzentrationen von 0,1% und höher in der Bodenlösung für längere Zeit kaum erreicht werden. Zudem könnte bei den Labortestversuchen die keimhemmende Wirkung von Simazin eine Rolle spielen. Dagegen zeigten alle Mittel in relativ hohen Konzentrationen keinen Einfluß auf die Bodenatmung.Die offenen Fragen, insbesondere über den unmittelbaren Einfluß von Pflanzenschutzmitteln auf die Bodenfauna, bedürfen einer eingehenderen Untersuchung mit verfeinerten Methoden.

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The influence of the herbicides Paraquat and Simazin on the fauna in forest soils

Side-effects of the weedkillers Gramoxon and Simazin on the soil fauna were studied in two forest sites. For comparative purposes, the insecticide Toxaphen (M 5055) was used in some experiments. Simazin had a negativ influence on the number of nematodes, mites (Cryptostigmata) and Collembola in a nursery with low volume of weed growth. The application of this herbicide, nevertheless, had an adverse effect in a forest plantation showing dense grass cover. It is proposed that the different amount of organic decay was an important factor in both field trials.In Lab tests the survival rate of moss-mites was markedly reduced through the application of pesticides in concentrations ranging from 0.1% to 1.6%. However, the CO₂-respiration of 20 ccm soil samples was not reduced when 2mg Simazin, 2 l Gramoxon and 2 l Toxaphen was applied.

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Die vorliegende Arbeit wurde mit Unterstützung der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung durchgeführt (GSF). Herrn Prof. Dr.P. Schütt und seinen Mitarbeitern vom Forstbotanischen Institut, München, danken wir für die Unterstützung bei den Freilandarbeiten. Ferner danken wir FrauB. Weber und HerrnH. Sommer für die Mithilfe bei der Bearbeitung des Materials.     

?kologische und waldbauliche Beobachtungen und Untersuchungen an Larix leptolepis Gord. in ihrer Heimat

Während der Sommermonate 1960 konnte der Verfasser die Wälder Japans besuchen und besonders jene Waldgesellschaften studieren, an denen Larix leptolepis beteiligt ist. Die großzügige Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft ermöglichte die Reise; dafür sei geziemend gedankt. Die unterschiedlichen Standorte, die von der Japanlärche besiedelt werden, die mannigfaltigen Vergesellschaftungen, in denen sie vorkommt und die Verschiedenheiten der Ausformung und Leistung, die sie auszeichnen, ließen es erwünscht erscheinen, eine Reihe von Beständen aufzunchmen und zu analysieren.T. Hurukoshi führte diese mühevolle Aufgabe in den unerschlossenen Wäldern des Fuefuki-Tales und am Fuji-yama durch. Ohne seine bereitwillige und ausgezeichnete Mitarbeit wäre das Vorhaben nicht gelungen. Ihm sei aufrichtig und herzlich gedankt. Die Forstverwaltung der Präfektur Yamanashi förderte die Untersuchungen dankenswerterweise in jeder Beziehung. Des weiteren halfen zum Gelingen der ArbeitM. Ohmasa, o. Professor für Waldbau an der Universität Tokyo,S. Matsuo, Chief Liaison Branch der Staatsforstverwaltung, undK. Takahashi, Leiter des Waldbaureferates der Forstverwaltung der Präfektur Yamanashi, durch ihr reiches Wissen, ihren freundlichen Rat und ihre unermüdliche Betreuung. Auch ihnen sei vielmals Dank gesagt.Dem Umfang der Arbeit waren von vornherein Grenzen gesetzt, die sich aus der Kürze der verfügbaren Zeit und den vielfältigen Schwierigkeiten von Waldbesichtigungen und -aufnahmen in einem zerrissenen Bergland mit Monsumklima zwangsläufig ergaben. Das Ziel konnte daher nur sein, die japanischen Untersuchungen über die Baumart auszuwerten und ihre Ergebnisse durch eigene Beobachtungen und Aufnahmen abzurunden und zu ergänzen, um so einen Beitrag zum Verständnis der Ökologie und des waldbaulichen Verhaltens der Larix leptolepis zu leisten. Dies erscheint um so lohnender und dringlicher, als die Kenntnisse über diese Fragen bei uns erstaunlich gering blieben, obwohl die Bedeutung der Baumart im mitteleuropäischen Waldbau steigt, wie sich an ihrem zunehmenden Anbau abzeichnet.     

Piezoelectricity as a fundamental property of wood

Summary The piezoelectric effect in wood, i.e. the occurrence of electric polarization under mechanical stress and also of mechanical strain in an electric field, was accounted for by considering the uniaxial orientation of cellulose crystallites in fibers and their monoclinic symmetry. A shear stress in one plane, including the grain direction, produced electrical polarization perpendicular to it. The value of the piezoelectric modulus for wood was approximately one twentieth of that of a quartz crystal.The chemical treatments which transform the lattice structure from cellulose I to II or III, increased the piezoelectric modulus. However, gamma-ray irradiation up to a dose sufficiently high to decrease the molecular weight had only little influence on the piezoelectric modulus.The variation with temperature of the phase angle between sinusoidal stress and polarization showed a maximum of advanced phase around room temperature and a maximum of delayed phase at about-100°C. Dielectric and viscoelastic measurements indicated that the former was caused by the dielectric loss due to water at a temperature above freezing and the latter by the viscoelastic loss due to local vibrations of cellulose molecules.The piezoelectric polarization in wood can be utilized in technical problems such as the measurement of shock velocity in timber. The physiological meaning of the piezoelectrical effect in plants has not been investigated.

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Zusammenfassung Der piezoelektrische Effekt in Holz, d. h. das Auftreten einer elektrischen Polarisation unter mechanischer Spannung und ebenso das Auftreten mechanischer Verformungen in einem elektrischen Feld wird als Folgeerscheinung der einachsigen Orientierung der Cellulosekristallite in den Holzfasern und durch deren monokline Symmetrie erklärt. Es wurde beobachtet, daß eine Scherspannung in einer Ebene, welche in Faserrichtung liegt, eine elektrische Polarisation senkrecht dazu hervorruft. Die Größe des piezoelektrischen Moduls für Holz betrug etwa 1/20 des piezoelektrischen Moduls eines Quarzkristalls.Chemische Behandlungen, welche die Gitterstruktur der Cellulose I in diejenige von Cellulose II und III umformen, erhöhen gleichzeitig den piezoelektrischen Modul. Dagegen zeigte eine Behandlung mit -Strahlen selbst bis zu einer Dosisleistung, die ausreichte, um das Molekulargewicht zu erniedrigen, nur geringen Einfluß auf den piezoelektrischen Modul.Die Temperaturabhängigkeit des Phasenwinkels zwischen einer S-förmig verlaufenden Spannung und der Polarisation zeigt ein Maximum der vorauseilenden Phase etwa bei Raumtemperatur und ein Maximum der nachlaufenden Phase bei etwa-100°C. Dielektrische und viskoelastische Messungen ließen erkennen, daß die Dielektrizität auf Grund dielektrischer Verluste von Wasser über 0°C zustande kommt und daß die Viskoelastizität durch viskoelastische Verluste auf Grund örtlicher Schwingungen von Cellulosemolekülen entsteht.Die piezoelektrische Polarisation bei Holz kann für die Lösung technischer Probleme, wie z. B. bei der Messung der Schallgeschwindigkeit in Holz praktisch eingesetzt werden. Die physiologische Bedeutung des piezoelektrischen Effekts in lebenden Pflanzen ist bisher noch unbekannt.

     

Seasonal development of secondary xylem in Pinus Strobus L.

Secondary xylem, or wood, is the tissue that conducts water and minerals in the tree; thus it performs physiologically one of the most important functions for the tree. In addition secondary xylem is the tissue that primarily determines the suitability of a tree for various economic uses.Investigation of the development of secondary xylem shows that it was gradual. Xylem mother cells, the immediate derivatives of cambial initals, were, at first, small cells with thin cell walls. Then the xylem mother cells enlarged radially, but still retained thin cell walls. When these cells reached the radial diameter of mature tracheids, the secondary wall deposition began. This continued until thick, rigid cell walls were attained. These thick, rigid walls determine the physical properties of a certain species of wood. This investigation shows that physical properties of tracheids can differ with stages of development.

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Zusammenfassung Das Sekundärxylem, oder das Holz, ist dasjenige Gewebe, welches Wasser und Mineralstoffe im Baum führt. Damit erfüllt es eine der wichtigsten physiologischen Funktionen für den Baum. Außerdem bestimmt das Gewebe des Sekundärxylems in erster Linie die Verwendbarkeit des Baumes bzw. des Holzes zu wirtschaftlichen Zwecken. Die Untersuchung der Entwicklung des Sekundärxylems zeigte, daß diese Entwicklung abgestuft vor sich geht. Die Xylem-Mutterzellen, unmittelbare Abkömmlinge der Kambium Initialen, zeigten sich zuerst als kleine Zellen mit dünnen Zellwänden. Dann erweiterten sie sich in radialer Richtung, blieben aber immer noch dünn in ihren Zellwänden. Als diese Zellen etwa den Durchmesser von reifen Tracheiden erreicht hatten, begann die Auflagerung der Sekundärschicht. Dieser Vorgang setzte sich fort bis sich dicke, feste Zellwände gebildet hatten. Diese dicken, steifen Zellwände bestimmen weitgehend die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der betreffenden Holzart. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, daß die physikalischen Eigenschaften der Tracheiden je nach der Entwicklungsstufe schwanken können.

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This report is based on portions of work in fulfillment of the requirements for the Ph.D. degree in Botany at the University of Wisconsin.

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Maintained at Madison, Wisconsin, 53705, U. S. A., in cooperation with the University of Wisconsin.     

Longitudinal shrinkage of wood — Part II: The relation between Longitudinal shrinkage and structure

Summary Models put forward by Preston and Kelsey to represent the longitudinal shrinkage of wood have been extended to take into account shearing stresses between microfibrils and between fibres. Mathematical relationships have been developed and previous models shown to be approximations to that developed here.The suitability of the model from various points of view and the variations in the model parameters with changing moisture content are discussed.The effect of the cross-cutting of the fibres occurring in thin microtomed sections, the effect of delignification and the incidence of an anomalous hysteresis are also discussed.Curves are given for the parameters of the models developed and these are discussed in the light of the results reported in Part I of this paper.It is concluded that the non-linearity observed in the longitudinal shrinkage moisture content relationship is due to the development of restraint against slipping of the chain molecules along one another and that this restraint is caused by increasing inter-chain molecular bonding with decreasing moisture content. It is also suggested that the irreversible interfibrillar shearing strain is a cause of the hysteresis.

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Zusammenfassung Die von Preston und Kelsey entworfenen Modelle zur Darstellung der Längsschwindung von Holz wurden von den Verfassern erweitert und zwar im Hinblick auf Scherspannungen zwischen Mikrofibrillen und zwischen Fasern. Es wurden mathematische Beziehungen aufgestellt und gezeigt, daß früher entwickelte Modelle dem hier entworfenen angenähert entsprechen. sprechen.Die Eignung des Modells wird von verschiedenen Gesichtspunkten aus beleuchtet und die Anderungen der Modellparameter bei wechselndem Feuchtigkeitsgehalt werden erörtert. Der Einfluß des Querschneidens der Fasern beim Mikrotomschnitt, der Einfluß der Delignifizierung und das Auftreten einer anomalen Hysterese werden besprochen.Die Parameter der entwickelten Modelle sind als Kurven dargestellt; diese werden unter Berücksichtigung der in der ersten Mitteilung veröffentlichten Ergebnisse erörtert.Als Schlußfolgerung ergibt sich, daß die Nichtlinearität, die in der Beziehung zwischen Längsschwindung und Feuchtigkeitsgehalt beobachtet wurde auf die Entwicklung eines gewissen Widerstandes gegen das gegenseitige Gleiten der Kettenmoleküle zurückkzuführen ist, und daß dieser Widerstand durch eine Zunahme der zwischen den Ketten bestehenden Molekularverbindungen bei abnehmendem Feuchtigkeitsgehalt verursacht wird.Ebenso wird vorgeschlagen, die irreversible Scherverformung zwischen den Fibrillen als Ursache für die Hysterese anzusehen.

     

Formation of the protective layer and its role in tylosis development

Summary Growth of the protective layer is described as observed in the ray parenchyma of Quercus alba L. The protective layer apparently forms by processes typical of cell wall growth in higher plants and, when mature, resembles the secondary wall in appearance. It is considered to be a distinct layer of the cell wall.Tyloses are formed when the protective layer, surrounding the protoplast of the parenchyma cell, proliferates into the vessel lumen following degradation and rupture of the vesselparenchyma pit membrane. The role of the protective layer in the formation of sclerosed parenchyma is also discussed.

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Zusammenfassung Die Entstehung der sogenannten Auflagerungsschicht wird anhand der Beobachtung von Markstrahlparenchym in Quercus alba L. beschrieben. Die Auflagerungsschicht entsteht ganz offensichtlich durch Wachstumsvorgänge, wie sie für das Zellwandwachstum höherer Pflanzen typisch sind und sie ähnelt im reifen Zustand der Sekundärwand im Aussehen.Thyllen werden dann gebildet, wenn sich die Auflagerungsschicht, die den Protoplasten der Parenchymzelle umgibt, im Anschlu£ an den Abbau und den Bruch der Tüpfelmembran im Gefä£parenchym in das Gefä£lumen hinein ausstülpt. Die Rolle der Auflagerungsschicht bei der Bildung von Stützparenchym wird ebenfalls erörtert.

     

Diffusion

Summary Diffusion can occur in a porous swelling material, such as wood, under three different types of gradients through different parts of the structure. Duffusion of a solute can occur under a concentration gradient through the microscopically visible solvent filled void structure, irrespective of whether the wood swells. When it does swell the wood, additional diffusion can occur through the bound part of the liquid. Diffusion of nonswelling gases and vapors is confined to the microscopically visible voids. It occurs under a vapor pressure gradient. Bound swelling liquids can diffuse through the cell walls under a bound liquid gradient. It is also possible for continuous vapor diffusion through the coarse capillary structure to occur in parallel with continuous bound liquid diffusion through the cell walls. The two may also be in series combination. This necessitates condensation of vapor on a cell wall after passing through the voids under a vapor pressure gradient followed by passage through the cell wall under a bound liquid gradient and re-evaporation into the next void.These complex combinations of diffusion paths under different motivating gradients have been theoretically analyzed on the basis of diffusion being analogous to electrical conduction where conductivities in parallel are additive and reciprocals of conductivities (resistances) in series are additive. It is thus possible to combine the cross sections and lengths of the different diffusion paths together with separately determined diffusion coefficients on simpler systems in parallel and series combination so as to obtain theoretical combined effective diffusion coefficients.All, or only part, of the six different structures shown in equation (6) may be involved in diffusion through wood. In the case of diffusion of a solute through wood saturated with a swelling solvent, all of the structures are effective. Solution of the equation for diffusion in the fiber direction shows that the fractional fiber cavity cross section almost entirely controls the rate, whereas in the transverse directions the rate is largely controlled by the communicating structure. This is in agreement with experimental diffusion and electrical conductivity measurements, which give diffusion coefficients relative to that of the solute in bulk solvent equal to the fractional fiber cavity cross-section, corrected for the taper of the fibers. The experimental diffusion coefficients, relative to that through the solvent in bulk in the transverse directions, ranged from 0.01...0.06 compared to the elctrical conductivity values of 0.02...0.033, and a theoretical value of 0.0445 over a similar range in specific gravities.Relative diffusion coefficients for the diffusion of a solute through wood saturated with a non-swelling solvent will be less due to the fact that the terms C _a , C _e and C _c in equation (6) will be zero. These same terms are also eliminated in the diffusion of gases and non-swelling vapors through wood. When all of the diffusion is considered to be free vapor diffusion, the theoretical values are about 30 times the experimental values for transverse diffusion of carbon dioxide, but only about twice for longitudinal diffusion. If the discrepancies are considered to be entirely due to hindered diffusion occurring through the pit membrane openings, hindered diffusion coefficients 1/40 and 1/30 of the free diffusion are obtained, due to the fact that many of the openings are smaller than the mean free path of the gas.Measurements of the continuous bound water diffusion in the wood substance have been made by filling the voids of the wood with a low fusion metal that expands slightly upon solidification. These values vary but slightly between species and are independent of the specific gravity of the wood, as the E values of equation (14) take the specific gravity into account. The values in the fiber direction are about twice those in the radial direction and three times those in the tangential direction. The diffusion coefficients increase with an increase in temperature in proportion to the vapor pressure of water. This indicates that bound water diffusion must be a molecular phenomenon involving many single molecular jumps rather than being a mass movement of liquid. This is similar to the previously observed diffusion of various bound liquids through polymers [Bagley, Long 1955]. Under conditions where the rate of movement is diffusion controlled, the diffusion coefficients also increase exponentially with an increase in moisture content.All of the possible paths through wood may be effective both for steady state and dynamic diffusion through wood. The general equation (6) becomes equation (17) which involves free vapor diffusion, hindered vapor diffusion, and bound water diffusion. The logarithm of the theoretically calculated diffusion coefficient varies inversely with the reciprocal of the absolute temperature for a given specific gravity, indicating that a constant activation energy is involved. Experimental diffusion coefficients calculated from moisture gradient, steady state and rate of drying data give values only slightly lower than the theoretical values when corrected to the same specific gravity. When the drying temperatures are corrected from oven temperatures to effective drying temperatures, the agreement is further improved. The fact that the experimental values determined by rate of drying are in quite good agreement with the steady state values, is a good indication that the rate measurements are diffusion controlled.The evidence here presented clearly indicates the complexity of fluid movement in wood and points out the areas in which further experimentation is desired.

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Zusammenfassung Diffusion tritt in einem porigen quellfähigen Material, wie z. B. Holz, auf, und zwar je nach Art des unterschiedlichen Materialgefüges mit drei verschiedenen Gradienten-Typen. Diffusion eines gelösten Stoffes kann aufgrund eines Konzentrationsgefälles durch die mikroskopisch sichtbaren, mit Lösung gefüllten Hohlräume des Gefüges hindrurch stattfinden, ohne Rücksicht darauf, ob die Lösung das Holz zum Quellen bringt. Bringt sie das Holz zum Quellen, so kann eine zusätzliche Diffusion durch den bis dahin gebundenen Teil der Flüssigkeit stattfinden. Die Diffusion nichtquellender Gase und Dämpfe ist auf die mikroskopisch sichtbaren Hohlräume beschränkt. Sie entsteht durch das Dampfdruckgefälle. Gebundene, quellende Flüssigkeiten können durch Zellwände diffundieren, wenn ein Gefälle gegen die gebundene Flüssigkeit entsteht. Ebenso besteht die Möglichkeit, daß eine kontinuierliche Dampfdiffusion durch die grobe Kapillarstruktur hindurch gleichzeitig mit einer kontinuierlichen Diffusion des gebundenen Flüssigkeitsanteils durch die Zellwand hindurch stattfindet. Beide Erscheinungen können auch in hintereinander folgender Kombination auftreten. Dies setz die Kondensation des Dampfes an der Zellwand nach Durchströmen eines Hohlraumes aufgrund eines Druckgefälles voraus, gefolgt vom Durchtritt durch die Zellwand aufgrund des Gefälles gegen den gebundenen Flüssigkeitsanteil und anschließende neuerliche Verdampfung in den nächsten Hohlraum hinein.Diese komplexen Kombinationen von Diffusionswegen bei jeweils unterschiedlichen Gefällebedingungen wurden analysiert unter der Annahme einer Analogie zwischen Diffusion und elektrischer Leitfähigkeit, wobei parallelgeschaltete Leitfähigkeiten als additiv und reziproke Leitfähigkeiten, d. h. Widerstände, hintereinandergeschaltet als ebenfalls additiv gelten. Es ist auf diese Weise möglich, Querschnitte und Längen der verschiedenen Diffusionswege zusammen mit gesondert bestimmten Diffusionskoeffizienten auf einfachere Systeme in Parallel-oder Serienanordnung zu übertragen, um dadurch theoretisch ermittelte, kombinierte, effektive Diffusionskoeffizienten zu erhalten.Bei der Diffusion durch Holz können entweder alle der sechs in Gl. (16) aufgeführten Konstanten oder nur ein Teil von ihnen beteiligt sein. Inden Fällen, bei denen ein gelöster Stoff durch Holz diffundiert, das mit einem quellenden Lösungsmittel gesättigt ist, sind alle Konstanten beteiligt. Die Auflösung der Gleichung für die Diffusion in Faserrichtung zeigt aber, daß der anteilige Querschnitt des Faserhohlraumes nahezu vollständig die Diffusionsgesch windigkeit bestimmt, wogegen bei der Diffusion in den Querrichtungen die Geschwindigkeit weitgehend durch die verbindenden Gefügeteile in dieser Richtung geregelt wird. Diese Erwägungen stehen in Übereinstimmung mit experimentellen Diffusions- und elektrischen Leitfähigkeits-messungen, aus denen sich Diffusionskoeffizienten errechnen lassen, die jenen entsprechen, die für die Diffusion eines gelösten Stoffes im reinen Lösungsmittel zutreffen, was dem anteiligen Querschnitt eines Faserhohlraumes, korrigiert hinsichtlich der spitz zulaufenden Faserenden, gleichzusetzen ist. Die experimentell ermittelten Diffusionskoeffizienten, entsprechend jenen für das reine Lösungsmittel und für Querdiffusion, bewegten sich zwischen 0,01 und 0,06, die elektrischen Leitfähigkeitszahlen liegen im Vergleich dazu zwischen 0,02 und 0,033; schließlich ergibt sich ein theoretischer Wert von 0,0445 für einen vergleichbaren Dichtebereich.Die entsprechenden Diffusionskoeffizienten für die Diffusion eines gelösten Stoffes durch Holz, das mit einem nichtquellenden Lösungsmittel gesättigt ist, liegen niedriger, weil die Konstanten C _a , C _e und C _c in Gl.(6) Null werden. Sie entfallen ebenso bei der Diffusion von Gasen und nichtquellenden Dämpfen durch Holz. Wird die gesamte Diffusion als freie Dampfdiffusion betrachtet, so erreichen die theoretischen Werte etwa das 30fache der experimentell ermittelten Werte für die Querdiffusion von Kohlendioxyd, allerdings nur das zweifache der experimentellen Werte für die Längsdiffusion. Sofern man sich entschließt, die eben erwähnten Unterschiede gänzlich auf die durch die Tüpfelmembranöffnungen behinderte Diffusion zurückzuführen, so erhält man Koeffizienten der behinderten Diffusion, die 1/40 und 1/30 der freien Diffusion betragen. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß viele der in Rechnung gestellten Öffnungen kleiner sind als der angenommene mittlere Durchtrittsquerschnitt. Messungen zur Diffusion des gebundenen Wassers in die Holzsubstanz wurden in der Weise durchgeführt, daß man die Hohlräume des Holzes mit einem leicht schmelzenden Metall füllte, das sich bei der Verfestigung nur sehr wenig ausdehnt. Die erhaltenen Werte schwanken nur wenig zwischen den einzelnen Holzarten und erweisen sich als unabhängig von der Dichte des Holzes, da die E-Werte der Gl. (14) die Dichte in Rechnung stellen. Die Diffusionswerte in Faserrichtung betragen etwa das zweifache jener in Radialrichtung und das dreifache jener in Tagentialrichtung. Die Diffusionskeoffizienten wachsen mit steigender Temperatur proportional zum Dampfdruck des Wassers an. Dies gibt einen Hinweis darauf, daß die Diffusion gebundenen Wassers eher den Charakter einer molekularen Erscheinung hat, die ihrerseits eine Reihe von einfachen molekularen Verbindungsschritten einschließt, als denjenigen der Bewegung einer Flüssigkeitsmasse. Diese Vorgänge besitzen also Ähnlichkeit mit der schon früher beobachteten und geschilderten Diffusion verschiedener gebundener Flüssigkeiten durch Polymere [Bagley, Long 1955]. Unter der Bedingung, daß die Bewegungsgesch windigkeit durch Diffusion gesteuert wird, wachsen die Diffusionskoeffizienten ebenfalls exponentiell mit dem Anstieg des Feuchtigkeitsgehaltes.Alle der möglichen Diffusionswege durch das Holz sind sowohl bei ruhender und dynamischer Diffusion wirksam. Die allgemeine Gleichung (6) wird zur Gl. (17), welche die freie Dampfdiffusion, die behinderte Dampfdiffusion und die Duffusion gebundenen Wassers einschließt. Der Logarithmus des theoretisch errechneten Diffusionskoeffizienten ändert sich im umgekehreten Sinne mit dem reziproken Wert der absoluten Temperature bei einer gegebenen Dichte, was darauf hinweist, daß an dem Vorgang eine konstante Aktivierungsenergie beteiligt ist. Experimentelle Diffusionskoeffizienten, die mit Hilfe des Feuchtigkeitsgefälles, des Fauchtigkeitsgleichgewichts und der Trocknungsgeschwindigkeit errechnet wurden, ergeben Werte, die nur wenig unter den theoretischen Werten liegen, soferndiese auf die gleiche Dichte korrigiert wurden. Korrigiert man ferner die Trocknungstemperturen, und zwar von den Kammertemperaturen auf die tatsächlichen Trocknungstemperaturen, so wird die Übereinstimmung der Werte nochmals verbessert. Die Tatsache, daß die experimentell mit Hilfe der Trocknungsgeschwindigkeit bestimmten Werte gut mit den Feuchtigkeits-Gleichgewichtswerten übereinstimmen, gibt einen deutlichen Hinweis darauf, daß die Messungen der Trocknungsgeschwindigkeit durch die Diffusion bestimmt sind.Die hier angegebenen Beweise zeigen ziemlich klar die Komplexität der Flüssigkeitsbewegung in Holz auf und lassen jene Gebiete erkennen, in denen weitere experimentelle Forschung sinnvoll erscheint.

     

Waldbauliche und holzkundliche Untersuchungen an Eschen aus dem Allg?u

Vorbemerkung Die vorliegende Arbeit schließt an holzkundliche Untersuchungen über die Esche an, die vor einigen Jahren von Herrn Professor Dr. H. Frhr.von Pechmann für den süddeutschen Raum begonnen wurden. Von ihm erhielt ich auch die Anregung zu diesem Thema. Hierfür und für die ständige Förderung, Belehrung und Anleitung bin ich zu großem Dank verpflichtet. Herrn Professor Dr. Dr. h. c.J. N. Köstler danke ich für die Anregung zu waldbaulichen Untersuchungen und für die vielseitige Unterstützung meiner Arbeiten. Großes Entgegenkommen und viel Verständnis fand ich bei dem Amtsvorstand des Forstamtes Ottobeuren, Herrn OberregierungsforstratA. Schmidt, der mir seine reichen Erfahrungen zur Verfügung gestellt und die Außenarbeiten jederzeit tatkräftig unterstützt hat. Die Mithilfe der forstamtlichen Betriebsbeamten hat die Arbeiten sehr erleichtert. Die pflanzensoziologischen und standortskundlichen Aufnahmen wurden in Zusammenarbeit mit Herrn Privatdozent Forstmeister Dr.H. Mayer und Herrn Dr.H. Langer durchgeführt. Die zeichnerischen Darstellungen stammen von HerrnG. Högel. Ihnen allen sei für die Mithilfe gedankt. Für die Holzuntersuchungen standen die Hilfsmittel des Instituts für biologische Holzkunde und Forstnutzung zur Verfügung, das auch die rechnerischen Auswertungen zum Teil übernommen hat. — Die Veröffentlichung ist die gekürzte Fassung einer von der Staatswirtschaftlichen Fakultät der Universität München angenommenen Dissertation. Die Dissertation kann gegebenenfalls vom Institut für biologische Holzkunde und Forstnutzung leihweise zur Verfügung gestellt werden.     

Studies on dynamic torsional viscoelasticity of wood

Summary The modulus of torsion and the mechanical damping has been investigated on test pieces of beech wood (Fagus sylvatica L.) with transverse fibre direction by means of a torsional pendulum. Both characteristics have been determined as a function of temperature (from 20 ... 100°C) and moisture content (from 5 percent to fibre saturation). At a frequency of about 1 cycle per second a transition region has been found characterized by a large decrease of the modulus of torsion and a distinct maximum of damping.The temperature-dependent processes of relaxation with well-defined activation energy lie at moisture contents of more than 12 percent. They have been interpreted by molecular motions which take place between the secondary valencies of the hydroxyl groups in the amorphous areas of the partial crystalline substance of the cell wall and which are favoured by the incorporation of water. The transition region is displaced to lower temperatures with increasing moisture content. In this respect the moisture content acts analogically to synthetic polymers as a plasticizer. The efficiency of plasticizers, which is the correlation between the concentration of the plasticizer and the temperature displacement of the maximum of damping respectively of the decrease of the modulus of torsion, is also used for a characterization of the influence of moisture content on the viscoelastic behaviour of the native high polymer wood.

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Zusammenfassung An quer zur Faser orientierten Proben aus Buchenholz (Fagus sylvatica L.) wurden der Drillungsmodul und der mechanische Verlustfaktor mit einem Torsionspendel gemessen. In Abhängigkeit von der Temperatur (von 20 ... 100°C) und der Holzfeuchtigkeit (von 5% bis Fasersättigung) wurde bei Frequenzen im Bereich von 1 Hz ein Dispersionsgebiet mit starkem Modulabfall und ausgeprägtem Dämpfungsmaximum gefunden.Die temperaturabhängigen Relaxationsprozesse mit eindeutiger Aktivierungsenergie liegen bei Holzfeuchtigkeiten oberhalb 12%. Sie werden in der Weise gedeutet, daß in den amorphen Bereichen der partiell kristallinen Zellwandsubstanz Molekülbewegungen zwischen den Nebenvalenzen der Hydroxylgruppen entstehen, die durch die Einlagerung des Wassers begünstigt werden. Mit zunehmendem Holzfeuchtigkeitsgehalt wird das Dispersionsgebiet nach tieferen Temperaturen hin verschoben. Der Wassergehalt verhält sich hierbei, in Analogie zu den Kunststoffen, wie ein Weichmacher. Die für die,, Weichmacherwirksamkeit gebräuchliche Beziehung zwischen Weichmacherkonzentration und Temperatureverschiebung des Dämpfungsmaximums bzw. des Modulabfalls wird auch für das native Hochpolymer Holz übernommen, um den Einfluß des Feuchtigkeitsgehaltes auf das visko-elastiche Verhalten des Holzes zu beschreiben.

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Contributed from the Institute of Wood Physics and Mechanical Wood Technology of the Federal Research Organization for Forestry and Forest Products, Hamburg-Reinbek.

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The authors wish to express their thanks to Mr. H. Funke for his valuable assistance in the performance and evaluation of the torsional experiments. Furthermore, we are thanking the Deutsche Gesellschaft für Holzforschung and the Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen for the funds backing this project.