木材的干縮與濕脹

1、木材的干縮與濕脹干縮和濕脹是木材的固有性質(zhì)，干縮和濕脹使木制品尺寸變化。干燥后的木材尺寸會隨著周圍環(huán)境濕度、溫度的變化而變化， 木材加工企業(yè)生產(chǎn)和日常生活中常會見到木材產(chǎn)品發(fā) 生翹曲、變形現(xiàn)象。干縮和濕脹為木材利用的重大缺點(diǎn)，掌握理解其產(chǎn)生原因與發(fā)生規(guī)律， 研究其防止方法對木材加工和利用來說具有重要意義。1木材干縮與濕脹1.1木材干縮和濕脹現(xiàn)象(1) 木材干縮和濕脹 濕材因干燥而縮減其尺寸的現(xiàn)象稱之為干縮；干材因吸收水分而增加其尺寸與體積的現(xiàn)象稱之為濕脹。干縮和濕脹現(xiàn)象主要在木材含水率小于纖維飽和點(diǎn)的這 種情況下發(fā)生，當(dāng)木材含水率在纖維飽和點(diǎn)以上，其尺寸、體積是不會發(fā)生變化的。木材干縮與木材濕

2、脹是發(fā)生在二個完全相反的方向上，二者均會引起木材尺寸與體積的變化。對于小尺寸而無束縛應(yīng)力的木材，理論上說其干縮與濕脹是可逆的；對于大尺寸實(shí)木試件，由于干縮應(yīng)力及吸濕滯后現(xiàn)象的存在，干縮與濕脹是不完全可逆的。干縮與濕脹對木材利用有很大的影響。干縮對木材利用的影響主要是引起木制品尺寸收縮而產(chǎn)生的縫隙、翹曲變形與開裂；濕脹不僅增大木制品的尺寸發(fā)生地板隆起、門與窗關(guān)不上，而且還會降低木材的力學(xué)性質(zhì)，唯對木桶、木盆及船等浸潤脹緊有利。(2) 木材干縮(濕脹)的種類木材的干縮分為線干縮與體積干縮二大類。線干縮又分為順著木材紋理方向的縱向干縮和與木材紋理相垂直的橫向干縮。在木材的橫切面上， 按照直徑方向和與

3、年輪的切線方向劃分，橫向干縮分為徑向干縮與弦向干縮?？v向干縮是沿著木材紋理方向的干縮，其收縮率數(shù)值較小，僅為0.1 0.3%,對木材的利用影響不大。橫紋干縮中，徑向干縮是橫切面上沿直徑方向的干縮，其收縮率數(shù)值為3 6%;弦向干縮是沿著年輪切線方向的干縮，其收縮率數(shù)值為6 12%，是徑向干縮的1-2各個方向干縮濕脹倍。由于木材結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得它在干縮和濕脹性質(zhì)上表現(xiàn)出明顯的方向性， 的不均勻性對木材加工利用有重要影響，不可忽視。通常木材體積干縮方材和原木等產(chǎn)品由于木材徑向干縮、 弦向干縮數(shù)值均較大， 導(dǎo)致其體積干縮數(shù)值大， 數(shù)值在120%范圍內(nèi)變化。這大數(shù)量的體積變化， 對于含水量高的板材、 來說，

4、在貿(mào)易上會產(chǎn)生材積數(shù)量的短缺，木材流通領(lǐng)域應(yīng)注意此問題。1.2影響木材干縮和濕脹主要因素，木材干縮濕脹除了明顯的各個方向的異性外，還與 下列因素有關(guān)。(1) 樹種 樹種不同，其構(gòu)造和密實(shí)程度不同，干縮濕脹樹種間差異很大(表5-5)。有的樹種很容易干燥，干縮濕脹和變形都很小，而有的樹種特難干燥，其干縮濕脹很大， 使用 和干燥過程中特別易發(fā)生開裂變形。(2) 微纖絲角度 木材管胞或纖維胞壁 S2層微纖絲角度對木材各向干縮有較大的影響，如圖5-8。微纖絲角增大，縱向干縮變大，而弦向干縮變小。特別是微纖絲角大于30,木材縱向干縮明顯增大，會因起板材翹曲現(xiàn)象。 人工林短周期小徑材或帶有髓心的板材易發(fā)生此

5、 種現(xiàn)象，直接影響到板材的利用。(3) 晚材率木材年輪內(nèi)早晚材顏色差異大，反映出其密實(shí)程度差異大?，F(xiàn)代技術(shù)X-M線密度儀顯示晚材最大密度要比早材最小密度大2-3倍。表5-6為馬尾松木材晚材率與其橫紋干縮間的關(guān)系，隨著晚材率的增大，徑弦向干縮率直線增加，并且弦向干縮始終大于徑向干縮。表5-3中三個樹種為分離后的早材、晚材分別測定的結(jié)果，早材、晚材弦向干縮也大于 其徑向干縮。這也反映出密實(shí)程度大的晚材干縮性，要比密實(shí)程度小、松軟的早材干縮大得多。木材的順紋干縮與此相反，即木材順紋干縮率與密度成反比。當(dāng)晚材率增加時，順紋干縮減小，即木材密度愈小，早材相應(yīng)增多，順紋干縮亦因而愈大。之所以如此變異，為早

6、材次生壁的中間層較薄， 微纖絲的排列相對的成較大角度，木材順紋干縮與此角度成正比，所 以早材率越大，木材順紋干縮也越大；晚材率大，木材順紋干縮小。(4) 樹干中的部位 樹干中近髓心的木材，其縱向干縮率大，徑向干縮與弦向干縮小； 而遠(yuǎn)離髓心的和近樹皮處的木材縱向干縮小，徑向干縮與弦向干縮小。 這種變化與木材密度和纖絲角度隨年齡變化規(guī)律有關(guān)。2木材干縮與濕脹各向差異的原因木材干縮、濕脹之所以有縱向、橫向不同及徑向與弦向的差異，主要與組成木材這種材料的細(xì)胞種類、細(xì)胞壁構(gòu)造和化學(xué)成分特性相關(guān)。針葉材主要是有管胞組成，有少量的木射線組織。闊葉材主要組成分子是木纖維、導(dǎo)管、軸向薄壁組織和木射線。它們細(xì)胞壁

7、主要化學(xué)組成是纖維素、木素和半纖維素及少量浸提物。理解這些細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特性和化學(xué)成分的性 質(zhì)，就不難理解木材干縮與濕脹各向差異的原因。下面分別敘述順紋方向(縱向)干縮與橫紋方向(橫向)干縮差異及橫向干縮中徑向與弦向差異的原因。2.1縱向干縮與橫向干縮差異的原因木材縱向干縮小，橫向干縮大。形成此種現(xiàn)象的主要原因，關(guān)鍵在于木材的構(gòu)造和化學(xué)組成成分的特性。木材中僅有木射線細(xì)胞是橫向排列，絕大部分細(xì)胞是縱向排列。而細(xì)胞壁以次生壁占絕大部分，次生壁中S2層占絕對優(yōu)勢(7090%),因此木材干縮主要取決于次生壁S2層微纖絲的排列方向。微纖絲是由纖維素長鏈狀分子組成，纖維素與水有很大的親和力，木材的含水率在纖

8、維飽和點(diǎn)時，細(xì)胞壁完全充滿水，如圖510A。當(dāng)含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時，木材開始干燥，水分蒸出，微纖絲之間的距離逐漸縮小，如圖510B;至絕干材時達(dá)到最大干縮量，如圖510Co反之絕干材吸收水分后，微纖絲之間的距離逐漸增大，木材膨脹，直至纖維飽和點(diǎn)時達(dá)到最大濕脹量。木材細(xì)胞壁次生壁中間層微纖絲主軸是由C-G C-O鍵連結(jié)，水分子無法進(jìn)入到纖維素分子鏈內(nèi)的長度方向。 微纖絲鏈狀分子上的碳、氧原子只能在原子核范圍內(nèi)活動，其本身軸向不發(fā)生收縮。由于正常木材細(xì)胞次生壁中層微纖絲排列方向與主軸不完全平行，而成10-30o的夾角，橫紋收縮時在軸向會產(chǎn)生微小的分量(0.1-0.3%)。因此軸向收縮很小，橫向

9、干縮大于縱向。縱向收縮的大小主要取決于微纖絲角的大小。由于 S1層、S3層微纖絲排 列方向與主軸近于垂直，S1層微纖絲在內(nèi)起著支架作用，限制S2層向內(nèi)收縮；S3層微纖絲在外層圈著S2層，限制S2層向外過度膨脹，因此木材不會發(fā)生無限膨脹和無限收縮。2.2徑向與弦向干縮差異的原因木材徑向干縮是弦向干縮的一半，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因復(fù)雜，不是單一理論可以解釋， 而且與不同的樹種、 木材的構(gòu)造有關(guān)。目前， 解釋其原因主要有早晚材的影響、徑向木射線 的抑制作用、細(xì)胞徑向壁與弦向壁木素含量的差異及紋孔數(shù)量多少的影響等理論。(1) 早材與晚材的影響 木材收縮量與其細(xì)胞壁所含物質(zhì)含量多少成正比。早材材質(zhì)輕軟,細(xì)胞

10、壁物質(zhì)含量少，密實(shí)程度低，干縮??；晚材材質(zhì)較硬，細(xì)胞壁物質(zhì)含量多，密實(shí)程度大, 干縮大。橫切面上徑向，年輪中早材與晚材是串聯(lián)的，徑向干縮是早材干縮和晚材干縮的加權(quán)平均值。而弦向，年輪中早材與晚材是并聯(lián)的，弦向干縮主要受晚材的影響，干縮大的晚材迫使整個年輪均隨晚材干縮，因而使弦向干縮接近于晚材的干縮，而這樣就造成木材的弦向干縮大于徑向。(2) 徑向木射線的抑制作用 木材中，木射線是唯一橫向排列細(xì)胞所組成。木射線細(xì)胞呈徑向排列，其細(xì)胞微纖絲排列方向與射線細(xì)胞軸向一致，因其縱向收縮小，機(jī)械地抑制木材徑向收縮；而木材弦向?yàn)樯渚€細(xì)胞的橫向，橫向干縮大。這使得木材徑向收縮小于弦向。北美紅棟實(shí)驗(yàn)表明，單一木

11、射線組織徑向上的全干縮為2.5%;而無射線的部分徑向全干縮率為5.1%。柳杉、赤松、扁柏等樹種均與假設(shè)相等。(3) 細(xì)胞徑向壁與弦向壁中木素含量的差異的影響木材主要化學(xué)成分中， 木素的剛度比 綜纖維素(纖維素、半纖維素)高，木素的吸濕性比綜纖維素小。木材縱向細(xì)胞的徑面壁上木素的含量比弦面壁高，其吸濕性較弦面小，多少限制了木材徑向干縮。(4) 木材各種細(xì)胞干燥過程本身不均勻收縮木材細(xì)胞分子中，導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞弦向干縮 大于徑向干縮，木射線寬度方向干縮(木材弦向)較長度方向(木材徑向)干縮大，致使弦 向干縮大于徑向。早晚材管胞弦向干縮大于徑向。木纖維各向干縮幾乎相同。(5) 徑壁、弦壁紋孔數(shù)量及其周

12、圍纖絲角度變大的影響紋孔是細(xì)胞次生壁局部未能加厚而留下的孔道。紋孔的存在使其周圍微纖絲的排列方向偏離了細(xì)胞主軸方向，纖絲角度變大，導(dǎo)致紋孔周圍縱向干縮大，橫向(徑向)收縮小。徑切面紋孔多(針葉材特別明顯)，其纖絲角度大，縱向干縮大，橫向(徑向)收縮小。弦切面紋孔少，纖絲角度小，縱向干縮小，橫向(徑向)收縮大，故弦向大于徑向。此外，紋孔越多，胞壁實(shí)質(zhì)就越少，木材的干縮與 胞壁實(shí)質(zhì)成正比。徑面壁上紋孔多，胞壁實(shí)質(zhì)少，橫向干縮小。3木材干縮的評價指標(biāo)與測定方法3.1木材干縮性的評價指標(biāo)木材的干縮和濕脹的程度在三個不同方向上不一樣，木材的干縮性質(zhì)常用干縮率、干縮 系數(shù)和差異干縮來表達(dá)。(1) 氣干干縮

13、率 從生材或濕材在無外力狀態(tài)下自由干縮到氣干狀態(tài)，其尺寸和體積的變 化百分比稱為木材的氣干干縮率，可按下式分別計算徑向、弦向和體積氣干干縮率。(2) 全干干縮率木材從濕材狀態(tài)干縮到全干狀態(tài)下，其尺寸和體積的變化百分比稱為木 材的全干干縮率，可按下式分別計算徑向、弦向和體積全干干縮率。木材干縮率中，三個方向干縮大小順序?yàn)橄蚁?、徑向和縱向；木材體積干縮率為最大， 近似等于徑向、弦向和縱向干縮率之和。(3) 干縮系數(shù) 為了能比較在不同含水率區(qū)段下的干縮值，采用干縮系數(shù)這一指標(biāo)，以計算確定出木材加工過程中板材尺寸和濕單板剪切時應(yīng)留出的干縮余量。生材和濕材干縮值計算，其起點(diǎn)含水率可取纖維飽和點(diǎn)30%的數(shù)

14、值進(jìn)行計算。干縮系數(shù)是指吸著水每變化1 %時木材的干縮率變化值，用K來表式。弦向、徑向、縱向和體積干縮系數(shù)分別記為 KT、KR、KL和KV。(4) 差異干縮 木材弦向干縮與徑向干縮的比值稱為差異干縮。弦徑向干縮之比小，縱向 干縮小，木材尺寸穩(wěn)定。收縮率大小是估量木材穩(wěn)定性好壞的主要依據(jù)，差異干縮是反映木材干燥時，是否易翹曲和開裂的重要指標(biāo)。根據(jù)木材差異干縮的大小，大致可決定木材對特 殊用材的適應(yīng)性。為了比較橫向兩個不同方向上，徑向和弦向干縮差異程度，常用差異干縮D來表示o根據(jù)D值大小分成三級： D>2為大，如榜木為2.16; 1.5VDV 2為中，如水曲柳為1.79; DV 1.5為小，如蝴木為1.3。3.2木材干縮的測定(1) 試樣要求：用飽和水分的濕材制作， 尺寸為20X 20 x 20mm，其各向應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的縱向、 徑向和弦向。(2) 方法與步驟 測定時，試樣的含水率應(yīng)高于纖維飽和點(diǎn)，否則應(yīng)將試樣浸泡于溫度20± 2C的蒸儲水中，至尺寸穩(wěn)定后再測定。 在每試樣各相對面的中心位置，分別測量試樣的徑向和弦向尺寸，準(zhǔn)確至0.01mm。測定過程中應(yīng)使試樣保持濕材狀態(tài)