木材的物理性质.doc

. 1. 木材中的吸附水：组成木材的细胞壁物质纤维素和半纤维素等化学成分结构中有许多自由羟基(OH)，它们具有很强的吸湿能力。在一定温度和湿度条件下，胞壁纤维素、半纤维素等组分中的自由羟基，借助氢键力和分子间力吸附空气中的水分子，形成多分子层吸附水；水层的厚度随空气相对湿度的变化而变化，当水层厚度小于它相适应的厚度时，则由空气中吸附水蒸汽分子，增加水层厚度；反之，当水层厚度大于它相适应的厚度时，则向空气中蒸发水分，水层变薄，直到达到它所适应的厚度为止。木材中存在着大毛细管和微毛细胞系统，因此木材是个多微毛细孔体。这些毛细孔体具有很高的空隙率和有巨大内表面，具有强烈的吸附性和发生毛细管凝结现象。在一定相对湿度的空气中，会吸附水蒸汽而形成毛细管凝结水，达纤维饱和点为止。微观上，木材细胞壁微纤丝上纤维素链状分子彼此靠近，当微纤丝链之间距离很近时，部分羟基与羟基之间形成新的氢键结合；再次吸湿时因部分相互吸引、价键满足的羟基不能再从空气中吸收更多的水分，因此吸附量减少。2. 木材中水分的种类：木材中的水分按其存在的状态可分自由水（毛细管水）、吸着水和化合水三类。（1）自由水 自由水是指以游离态存在于木材细胞的胞腔、细胞间隙和纹孔腔这类大毛细管中的水分，包括液态水和细胞腔内水蒸汽两部分；理论上，毛细管内的水均受毛细管张力的束缚，张力大小与毛细管直径大小成反比，直径越大，表面张力越小，束缚力也越小。木材中大毛细管对水分的束缚力较微弱，水分蒸发、移动与水在自由界面的蒸发和移动相近。自由水多少主要由木材孔隙体积（孔隙度）决定，它影响到木材重量、燃烧性、渗透性和耐久性，对木材体积稳定性、力学、电学等性质无影响。（2）吸着水 吸着水是指以吸附状态存在于细胞壁中微毛细管的水，即细胞壁微纤丝之间的水分。木材胞壁中微纤丝之间的微毛细管直径很小，对水有较强的束缚力，除去吸着水需要比除去自由水要消耗更多的能量。吸着水多少对木材物理力学性质和木材加工利用有着重要的影响。木材生产和使用过程中，应充分关注吸着水的变化与控制。（3）化合水 化合水是指与木材细胞壁物质组成呈牢固地化学结合状态的水。这部分水分含量极少，而且相对稳定，是木材的组成成份之一。一般温度下的热处理是难以将木材中的化合水除去，如要除去化合水必须给与更多能量加热木材，此时木材已处于破坏状态，不属于木材的正常使用范围。因此化合水对日常使用过程中的木材物理性质没有影响。3. 木材中水分的移动：水分传导扩散移动的主要通道有三种：相互连通的细胞腔（导管腔）、细胞间隙和细胞壁纹孔膜上的小孔。阔叶树材导管间液态水或水蒸汽是沿着导腔移动的，未被侵填体或树胶之类内含物堵塞的导管，水和水蒸汽可以自由地由一个导管分子移向另一个导管分子。针叶树材没有导管，也就没有细胞腔间的水分移动通道。针叶材和阔叶材各类细胞的胞壁上均具纹孔，纹孔膜上有许多极微细的小孔，水和水蒸汽可通过纹孔膜上极微细的小孔移动。如针叶材管胞纹孔产生闭塞，这部分途径就受堵塞。水蒸汽和液态水各自遵循不同的规律，借助于扩散和毛细管张力，通过木材内的各种空隙而移动。但是，通过细胞壁和纹孔膜上的微细空隙通道的水分移动，则仅限于吸着水的扩散。木材中水分移动的原因有毛细管作用、液体或蒸汽的不同压力差和不均衡的水层或气体厚度的影响。因此，在木材中产生水位梯度，水位高的向水位低的移动后二种对于木材干燥具有极为重要的意义。不同含水率状态下木材中水分的移动可分为含水率在纤维饱和点以下以及纤维饱和点以上两种情况：（1）含水率低于纤维饱和点时木材中水分的移动 此种状态下，木材内部不含自由水，所有细胞腔内皆为空气所充满。由于木材表面水分的蒸发，其内部就会形成含水率梯度，出现相应的水蒸汽分压梯度。在这种梯度的作用下，水蒸汽开始沿着细胞腔并通过纹孔及纹孔膜上的小孔，由内向外扩散。水蒸汽移动的速度主要取决于纹孔膜上小孔的数量和直径，因为胞腔和纹孔腔的直径远远大于纹孔膜上小孔的直径，水蒸汽不会在通过前二者时形成多大的阻力。因此，如果纹孔膜上的小孔极小或者被堵塞时，木材内水分呈蒸汽状态的移动，则是十分缓慢的。木材中水分的移动，在其含水率低于纤维饱和点时，除了上述呈蒸汽状态移动以外，还会因毛细管的作用，吸着水沿着细胞壁内微毛细管系统的移动。由于木材表面水分的蒸发，使表面部位毛细管的张力变大，水层变薄，张力差异促使吸着水从含水率高的部位向含水率低的部位移动。在含水率低于纤维饱和点时，木材内水分的移动还会有第三种传导方式，即蒸汽状态与液体状态不断地相互交替，亦即沿着邻近的细胞壁内的微毛细管与细胞腔形成的大毛细管之间，呈水蒸汽或液态水相互交替式的移动。上述水分的移动方式，对于一切树种的木材都是适用的。但是，具体到各种水分传导途径的相对效率，会因树种、密度以及木材的构造特征、含水率变化、温度高低等而有较大的变动。（2）含水率高于纤维饱和点时木材中水分的移动 此种状态下，水分在木材细胞腔内主要呈液体状态，水蒸汽也以饱和状态存在于细胞腔内。由于各个部位的水蒸汽压力是一致的，此种情况下，理论上是没有蒸汽状态的水分在木材内部移动，只有因毛细管张力差引起的液态水自由水沿着细胞腔与纹孔的移动。如果木材内所有细胞腔都充满了水分，水分由一个细胞腔移动到另一个细胞腔的情况几乎不会发生。当木材外表面有一部分含水量因干燥降至纤维饱和点含水率以下时，木材内部就会发生水分由内向外的移动现象。开始仅为木材表层几排细胞向外蒸发水分，其胞腔内水膜厚度逐渐变小，使得毛细管内新月形液面的弯曲度急剧地增大，蒸发面与木材内部形成了毛细管张力差，促使自由水由内部几排细胞移向蒸发面。这一过程的不断进行，使蒸发面逐渐移向木材内部，构成了上述三种水分传导方式扩散移动的机构，木材才得以逐渐干燥。4. 木材吸水：水分的吸收主要是通过端面进行的，径面和弦面通过吸水分明显小于端面，这说明顺纹理方向的吸水速度最快。木材吸水性的测定：试样放入烘箱内烘干称重，尺寸为202020mm。将烘干的试样放入盛有蒸馏水的容器内，用一金属网罩住试样，在网上置以重物，使试样全部压入水面以下，水的温度应保持在202范围内。浸入水中6h后第一次称重，以后经1、2、4、8、12、16、20昼夜各称重一次，此后每隔10昼夜再进行称重，至最后两次含水率之差小于5%时，即可认为木材试样已充分吸水，并可结束测定。5. 木材干缩和湿胀木材干缩和湿胀 湿材因干燥而缩减其尺寸的现象称之为干缩；干材因吸收水分而增加其尺寸与体积的现象称之为湿胀。干缩和湿胀现象主要在木材含水率小于纤维饱和点的这种情况下发生，当木材含水率在纤维饱和点以上，其尺寸、体积是不会发生变化的。木材干缩与木材湿胀是发生在二个完全相反的方向上，二者均会引起木材尺寸与体积的变化。对于小尺寸而无束缚应力的木材，理论上说其干缩与湿胀是可逆的；对于大尺寸实木试件，由于干缩应力及吸湿滞后现象的存在，干缩与湿胀是不完全可逆的。木材的干缩性质常用干缩率、干缩系数和差异干缩来表达。6 / 6