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如何理解木材的吸湿性与干缩湿胀
[ 作者:佚名 | 点击数:1009 | 更新时间:2009-8-14 9:17:25]

根据物质表面自由能学说,木材属于毛细管多孔有限膨胀体,具有极高的孔隙率和巨大的内表面,因此木材的表面现象特别显著,具有强烈的吸附性和毛细管凝结现象,统称吸着性。而水的偶极矩大,其蒸气凝结力又高(界面)现象就表现得尤为显著。
    当干木材放置在潮湿空气中,纤丝的表面借分子间力和氢键力将空气中水蒸气分子吸引于其上,成分多分子水层,从而形成吸附水。水层的厚度随着空气相对湿度的变化而变化,即一定
的水层厚度与一定的相对湿度相对应。当水层厚度小于它所相应的厚度时,则从空气中吸附水蒸气分子,增加水层厚度;空气相对湿度越高,所吸附的水层厚度则越厚;反之,当水层厚度大于它所相应的厚度时,则水分向空气中蒸发,水层减薄。
    在木材的纤丝表面自空气中吸附水分的同时,微毛细管表面也吸附水蒸气,发生毛细管凝结现象,形成毛细管凝结水。木材这种自空气中吸附水分的现象和毛细管凝结水分的现象称作木
材的吸湿性。
    木材的吸湿性包括吸湿和解吸。当空气中水蒸气压力大于木材表面水蒸气压力时木材从空气中吸着水蒸气,成为吸湿;反之,当木材中水蒸气压力大于空气中水蒸气压力时,木材则向空
气中蒸发水分,称为解吸。这就是日常生活中人们感受到的当空气潮湿时,较干的木材从空气中吸收水分,反之,较湿的木材会向较干燥的环境散发湿气。
    实际上木材的吸湿和解吸经常是可逆的,是同时进行的,一方面水蒸气分子碰撞于木材的界面被吸取,发生吸湿;另一方面,也有一部分水蒸气分子脱离木材向空气中蒸发,发生解吸。

    受木材含水率与空气相对湿度的影响,其吸湿与解吸的数量不同,在过程开始时,如木材是绝干的,则单位时间内木材自空气中吸着水蒸气分子的量多于同一时间自木材蒸发的量,如果木材是湿的,则相反,木材自空气中吸着水蒸气的量将少于由木材向空气中蒸发的量。随着过程的继续,吸湿与解吸的速度接近相等,而达到平衡状态,即所谓吸湿平衡。
    如前述,木材属毛细管多孔有限膨胀胶体,吸水后不自动溶解和丧失其几何形状,仅使尺寸和体积发生一定量的增大,称为湿胀或膨胀。
    木材湿胀不仅增大尺寸,同时改变形状,强度下降,对木材的利用与木制的使用都极其不利。
    木材湿胀是由于细胞壁纤丝的表面吸附水分子,纤丝之间的水层增厚,将纤丝撑开,木材的细胞壁,乃至整个木材尺寸因之胀大,即所谓湿胀。但是木材湿胀不是发生在吸取水分的全过
程,只是吸取结合水时才发生,在吸取自由水时并不引起膨胀。当将干木材置于湿空气时,木材吸湿膨胀,如空气湿度为100%直到细胞壁为结合水所饱和,即至纤维饱和点时湿胀达到最大为止。此时如将木材转浸水中,使其继续吸取水分,含水率尽管继续增加,但湿胀却不再继续发生,因为此时所吸取的水分是只存在于胞腔的自由水。
    木材湿胀的大小以湿胀率表示,即绝干尺寸和空气中湿润至纤维饱和点含水率尺寸的差值(吸水膨胀),或在水中润湿至其尺寸达到稳定不变时的差值(吸水膨胀),与绝干尺寸的百分比。

木材吸湿膨胀尚可以含水率每增加1%的平均湿胀率,即湿胀系数来表示。
    木材湿胀也很不均匀,具各向异性。纵向湿胀极小(可略而不计),横向湿胀很大,横向中的弦向又比径向大,一般相差2倍。湿胀还随树种而异,一般密度大者膨胀多。
    木材吸收其他液体时同样发生膨胀。所吸取的液体介电常数越高,木材膨胀越大;非极性液体或液体极性越小的,则不引起木材膨胀或膨胀甚小。
    与木材吸湿膨胀相反,当木材干燥失水时,其尺寸和体积随着水分的散失而减小,称干缩。木材的干缩是木材加工利用上的一大问题,它不仅因木材干缩而发生尺寸和体积的缩小,尚因
干缩不均而引起木材开裂、翘曲变形等缺陷,同时干燥后的木材尺寸和体积并非永久不变,它随着周围空气湿度的变动而继续发生变化。
    木材之所以干缩,主要由于当木材干燥时,水分向外蒸发,细胞壁上纤丝之间、微纤丝之间和基本纤丝之间的吸着水数量减少,期间的水层减薄,纤丝、微纤丝和基本纤丝彼此间就将靠
拢以致细胞壁,乃至整个木材的尺寸因之缩小。
    同湿胀一样,木材干缩也不是发生在木材水分蒸发的整个过程中,当含水率在纤维饱和点以上,自由水蒸发时,木材尺寸无变化,而只是在纤维饱和点一下,即自由水蒸发完毕,吸着水
散失时才发生。
    木材干缩的大小以干缩率表示,即干燥前后尺寸的差值与干燥后尺寸的百分比。也常用含水率每减少1%时的平均干缩率即干缩系数来表示。
    木材纹理方向不同,干缩各异,具有干缩各向异性,纵缩很小,横缩很大。一般正常的木材全干干缩率(为自纤维饱和点至绝干状态的干缩率),纵缩为0.1%-0.3%,径缩为3%-6%,弦缩微
6%-12%,体积干缩为9%-14%。
    总之,由于含水量的增减导致木材尺寸发生变化,主要因为结合水的增减而扩张或收缩细胞壁内的微隙而发生。木材的膨胀与收缩的一般趋势如下:
    1- 阔叶才大于针叶材;
    2- 边材大于心材;
    3- 弦切面:径切面:纵向=10:5(1-0.5);
    4- 密度大的木材大于密度小的木材;
    木材加工工业上减少木材的干缩湿胀,常采取如下措施:
    1- 均匀干燥至适于加工使用的适宜含水率;
    2- 尽量使用径切材,尽量使用密度小的木材;
    3- 使用吸湿能力小的高温处理的干燥木材;
    4- 使用人造板;
    5- 对木制品进行油漆涂装,在其表面形成的涂料涂膜可较大程度地防止木材的吸湿放湿,但因涂膜尚有一定的透湿性,因而并不能完全阻止。



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