Misura dell'umidità del legno

Metodi e strumenti per misurare l'umidità del legno

I metodi più importanti descritti nei paragrafi che seguono sono riportati nella norma italiana UNI 9091, suddivisa in quattro parti, rispettivamente: metodo elettrico, gravimetrico, per distillazione e igrometrico.

Si riportano inoltre brevi cenni sul metodo per titolazione con il reattivo di Fisher e sul campionamento dei provini per il controllo dell'umidità.

Metodo elettrico

Il legno allo stato anidro è un pessimo conduttore dell'elettricità, tanto da poter essere annoverato fra i materiali isolanti. All'aumentare dell'umidità, la sua resistività diminuisce seguendo una legge grosso modo esponenziale fino al punto di saturazione, continuando poi a diminuire anche al di sopra di esso, ma in modo più lento e meno regolare.

In definitiva, sfruttando la correlazione esistente fra umidità del legno e resistività, è possibile effettuare una determinazione indiretta della prima misurando la seconda.

In pratica, dato che un campo talmente esteso della resistività del legno in funzione dell'umidità finisce per rendere poco influenti i parametri geometrici di lunghezza e sezione (almeno entro certi limiti) del tratto attraversato dalla corrente, nel legno si adottano strumenti ad elettrodi in cui a rigore ciò che viene sempre misurato è in effetti una resistenza (non una resistività), compiendo però un errore quasi sempre trascurabile ai fini pratici.

Il campo utile di questi strumenti va dal 6-7% al 25-30% circa: dato infatti l'andamento esponenziale della curva resistenza-umidità, per valori molto bassi di umidità la resistenza diventa troppo alta per poter essere misurata dallo strumento; viceversa per umidità al di sopra del punto di saturazione delle pareti cellulari, la variazione della resistenza dell'umidità diventa relativamente piccola e quindi poco significativa. Oltre i limiti citati di umidità subentrano altre fonti di imprecisione per cui, indipendentemente dalla bontà e precisione dello strumento, la lettura rimane affetta da una serie di incertezze intrinseche alla natura della correlazione tra il parametro elettrico e quello fisico. Tanto è vero che dinanzi a letture oltre il 30%, l'operatore esperto attribuisce alle stesse una precisione molto bassa, considerandole utili solo come orientamento di larga massima.

Oltre ai misuratori basati sulla resistenza, esistono anche strumenti che misurano indirettamente l'umidità del legno basandosi sulle proprietà dielettriche del materiale, anch'esse legate alla presenza di molecole polari d'acqua. Si tratta di misuratori detti genericamente "a radiofrequenza" che basano il loro funzionamento sulla proprietà del legno umido di accumulare, qualora sottoposto all'azione di un campo elettrico, una carica elettrostatica (rappresentata dalla grandezza denominata costante dielettrica), e di restituire solo in parte l'energia elettrica accumulata al cessare oppure all'invertirsi dell'azione del campo elettrico stesso (rappresentato dal cosiddetto fattore di perdita dielettrica).

Gli strumenti che misurano la costante dielettrica prendono il nome di misuratori a capacità, e funzionano a radiofrequenze intorno a 0,5-1,0 MHz. Gli strumenti che misurano invece il fattore di perdita dielettrica prendono il nome di misuratori a dissipazione e funzionano a frequenze intorno ai 10 MHz.

In entrambi i casi si tratta di strumenti provvisti di testa porta-elettrodi da appoggiare od avvicinare semplicemente alla superficie del legno (misuratori "senza contatto"). Per ogni tipo di assortimento legnoso (dimensioni, spessore, ecc.) esistono elettrodi di dimensioni e forma ottimali. I modelli "senza contatto" sono ideali per le lavorazioni a ciclo continuo dell'industria e per i controlli assolutamente non distruttivi manufatti delicati o pregiati (ad es. opere d'arte). Altro vantaggio è la maggiore attendibilità per valori di umidità maggiori del 30% rispetto ai misuratori a resistenza elettrica.

Gli svantaggi risiedono nelle sensibilità alle variazioni di massa volumica del legno, per cui devono essere calibrati in base alla massa volumica media delle diverse specie.

I misuratori elettrici risultano preziosi in tutte le occasioni in cui serve una misura dell'umidità del legno pressoché immediata e poco distruttiva. Essi sono poco ingombranti, sono alimentati a batteria, e se correttamente usati forniscono risultati con uno scostamento massimo di 1-2 punti percentuali in più o in meno rispetto al metodo per doppia pesata (errore tollerabile per molti fini pratici, ma non in caso ad es. di contestazioni di forniture oppure per ricerche di carattere scientifico).

Metodo per pesata

Il metodo di riferimento previsto dalla normativa tecnica per la misurazione dell'umidità di un singolo pezzo di legno di limitate dimensioni (detto "provino") è il cosiddetto "metodo gravimetrico" o "per doppia pesata". Esso deriva dalla applicazione letterale della definizione e necessita della seguente attrezzatura minima:

- una stufa ventilata e termostatata a 103±2°C; la ventilazione è necessaria per asportare il valore liberato dal provino; la temperatura invece consente di trasformare tutta l'acqua in vapore (a pressione normale) senza tuttavia dar luogo a distillazione di estrattivi del legno (salvo casi particolari) oppure al degradamento termico di certi costituenti la parete cellulare (che devono rimanere intatti affinché le pesate non risultino falsate);

- una bilancia tecnica o analitica, a seconda dei casi, avente una risoluzione tale da consentire la determinazione dei pesi con una precisione minima dello 0,2%.

Operativamente si effettua una prima pesata del provino e si determina il peso umido p. Si mette poi il provino in stufa, lasciandolo indisturbato per 48 ore in modo che possa perdere gran parte dell'umidità. Si effettua quindi una seconda pesata, annotando la misura, e si mette di nuovo il provino in stufa per ulteriori 6 ore. Si ripete la pesata e si confronta l'ultimo dato con la registrazione precedente: se la variazione di peso intervenuta nelle sei ore è trascurabile (minore dello 0,5%), si considera raggiunto lo stato di peso costante e di conseguenza si assume che tutto il vapore, l'acqua libera e quella di saturazione siano stati eliminati dal provino, che risulterà perfettamente anidro. Se invece la pesata rivela una differenza non trascurabile, si rimette il provino in stufa per ulteriori 6 ore e si ripete la procedura fino al raggiungimento di un valore di peso costante tra le due ultime letture.

Resta così determinato p₀, che consentirà il calcolo dell'umidità originale del provino.

Questo metodo è in grado di fornire risultati con tre cifre significative, ma non è esente da errori (in parte evitabili, in parte no).

Tra le fonti di errore non evitabili si possono citare le seguenti:

- una parte, se pur piccola, degli estrattivi può evaporare anche a 103°C; questo errore è ovviamente maggiore per i legni molto resinosi, per i quali, nel caso sia richiesto il massimo rigore, è raccomandabile il metodo per titolazione con il reattivo di Fischer;

- l'aria dentro la stufa non è mai perfettamente anidra; per es. se il laboratorio presenta una temperatura ambiente di 30°C ed una umidità relativa del 60%, l'umidità residua del provino dopo permanenza in stufa ventilata a 103°C fino a peso costante si aggira intorno allo 0,5%.

Tra gli errori che invece possono essere evitati (o ridotti fino a diventare trascurabili) con opportune procedure, si possono ricordare i seguenti:

- il legno appena estratto dalla stufa è avidissimo di umidità ed inizia istantaneamente ad adsorbire il valore presente nell'aria di laboratorio, aumentando velocemente di peso; per evitare questo errore si può introdurre fin dall'inizio il provino dentro un idoneo contenitore provvisto di tappo a tenuta stagna (ad es. un flacone di vetro con tappo tronco-conico smerigliato), mettendo poi sia il contenitore (aperto!) sia il tappo dentro la stufa; al momento delle pesate, il contenitore verrà tappato prima dell'estrazione dalla stufa, impedendo così qualsiasi contatto del legno con aria umida; naturalmente esiste anche in questo caso un problema di efficiente ventilazione dell'aria all'interno della contenitore, per cui l'essiccazione completa del provino potrebbe richiedere un tempo maggiore del normale;

- il provino estratto dalla stufa, se posto ancora caldo sul piatto della bilancia analitica, ha una temperatura tale da riscaldare l'aria che lo lambisce provocandone il movimento convettivo verso l'alto che altera la lettura; è buona norma quindi attendere che il provino si sia raffreddato prima di procedere alla pesata, evitando il riadsorbimento di umidità con il metodo del contenitore ermetico sopra descritto, o più semplicemente (ma meno rigorosamente), lasciando raffreddare il provino in un recipiente detto "essiccatore" parzialmente riempito con materiale disidratante (ad es. gel di silice) in grado di sequestrare tutta l'umidità dell'aria contenuta nel recipiente.

Il metodo gravimetrico viene applicato talvolta sostituendo la stufa ventilata con qualche altro apparecchio che consenta l'essiccazione del legno. Tra i sistemi degni di nota figurano i seguenti: sottovuoto, con termobilancia, o con riscaldamento a microonde.

Il metodo per distillazione

Si applica vantaggiosamente nel caso di legni ricchi di estrattivi volatili insolubili in acqua. Il provino di legno (tra 50 e 100 g circa di materiale) viene sminuzzato in frammenti e immediatamente pesato; poi viene immesso in un pallone di vetro di un distillatore assieme ad una certa quantità di solvente immiscibile con l'acqua (il più conveniente, nonostante la sua infiammabilità, si è dimostrato il toluene, che ha un punto di ebollizione si 110°C ed è più leggero dell'acqua). Riscaldando il contenuto del pallone si procede con la distillazione per 1-1,5 ore, fino a che nel tubo graduato in cui vanno a finire i prodotti distillati si riscontrerà un livello d'acqua inalterato per almeno 10 minuti (il toluene eventualmente distillato formerà uno strato galleggiante sull'acqua, distinto da un netto menisco all'interfaccia tra i due liquidi). Dal volume letto sul tubo graduato si può risalire direttamente al peso dell'acqua e, per differenza con il peso iniziale, al peso anidro del legno, determinando così tutti gli elementi utili per il calcolo dell'umidità originale del provino. Lo svantaggio del metodo, comune a tutti i procedimenti che richiedono la distruzione e lo sminuzzamento del provino, è l'alterazione dell'umidità originale sia per l'improvviso contatto con l'aria di zone precedentemente protette dal legno circostante, sia per l'aumento della superficie specifica del materiale, sia per il riscaldamento del legno conseguente alla sua riduzione in frammenti.

Il metodo igroscopico

Si basa sul fatto che il legno riesce a condizionare in modo prevedibile un volume sufficientemente piccolo di aria mantenuto in contatto con esso, senza per questo alterare significativamente la propria umidità. Ciò può essere realizzato ad esempio inserendo un provino dentro un piccolo contenitore ermetico, nel quale sia stata inserita anche la sonda di un igrometro (ad es. un igrometro elettrico). Dopo un tempo più o meno lungo, l'aria del contenitore si sarà equilibrata ad un valore di umidità relativa misurabile con l'igrometro, dal quale si potrà risalire all'umidità del legno mediante opportune tabelle o diagrammi di conversione. Il metodo igroscopico risente in modo significativo delle variazioni di temperatura, per cui è sempre consigliabile abbinare all'igrometro anche una sonda termometrica, così da poter apportare le opportune correzioni dei dati mediante le consuete tabelle di corredo alla strumentazione.

Il metodo per titolazione con il reattivo di Fisher

Considerato da molti autori il più esatto, ed è praticamente insostituibile nel caso in cui il legno sia ricco di estrattivi volatili solubili in acqua. Schematicamente si tratta di imbibire il legno finemente sminuzzato con metanolo, il quale estrae l'acqua formando una miscela titolabile con il cosiddetto reattivo di Fisher (miscela di Iodio, Anidride solforosa, Piridina e Metanolo). In base alla quantità di reattivo aggiunta per giungere al punto di viraggio, si risale stechiometricamente alla quantità di acqua estratta dal metanolo e di conseguenza contenuta originariamente nel provino. A parte ogni considerazione sulla precisione intrinseca della titolazione, anche con questo metodo permane la fonte di errore legata alla frantumazione del legno, aggravata dalla necessità di vagliare il materiale (cioè di passarlo attraverso un setaccio calibrato) prima dell'imbibizione con metanolo.

Campionamento dei provini per il controllo dell'umidità

I metodi fin qui illustrati consentono di misurare l'umidità in singoli punti di un pezzo, oppure su piccoli provini del peso massimo di qualche centinaio di grammi.

Allorquando ci sia necessità di controllare le variazioni di umidità all'interno di un elemento ligneo in dimensioni d'uso, oppure nell'ambito di un'intera partita di tavolame, è evidente che non si può procedere "a tappeto", bensì occorre campionare rispettivamente un certo numero di punti (nel caso del singolo pezzo) e di segati (nel caso della partita di legname) seguendo criteri che permettono la stima di valori di umidità ragionevolmente probabili ed applicando appropriate tecniche statistiche di elaborazione dei risultati.

Nella cosiddetta "qualità di essiccazione" di un lotto di segati, ai fini dell'accettazione o del rifiuto del lotto stesso, viene seguito il metodo descritto nella norma italiana UNI 8939 del 1987.

Il controllo dell'umidità di un lotto di segati ha per scopo l'accertamento della conformità fra umidità nominale ed umidità effettiva dei segati che lo compongono. Secondo la UNI 8939, occorre che vengano stabiliti a priori (ad es. convenuti esplicitamente in un contratto di vendita, oppure in un capitolato di appalto, ecc.) i seguenti parametri di riferimento:

- la numerosità del lotto;

- l'umidità nominale, ovvero l'umidità a cui tutti i segati si dovrebbero idealmente trovare, in ogni loro punto;

- gli scostamenti superiore ed inferiore ammessi, ovvero di quanto l'umidità di un segato può differire in più oppure in meno rispetto all'umidità nominale;

- il metodo di misura dell'umidità sui singoli pezzi, compreso il numero di punti su cui ripeterla e l'arrotondamento da applicare;

- il metodo di prelievo casuale dei provini dal lotto.

All'atto pratico, è spesso oneroso eseguire la quantità di misure richieste, ed ancora più oneroso risulterebbe accantonare i pezzi troppo umidi. Pertanto, questa importante attività di controllo e di gestione della qualità viene troppo spesso disattesa, dando origine ad una serie di inconvenienti (e di relativi costi) sicuramente superiori come entità a quanto si era immaginato al momento della negligenza. Ciò vale anche nel caso, ancor più spesso ignorato, dei difetti legati ad un'umidità eccessivamente bassa. La corretta misurazione e gestione dell'umidità del legno genera dei vantaggi largamente superiore ai costi che comporta.

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