木材的干缩与湿胀

木材的干燥收缩和湿润干缩和湿膨胀是木材的固有性质，干缩和湿膨胀改变木制品的尺寸。 干燥木材的尺寸随周围环境湿度、温度的变化而变化，木材加工企业的生产和日常生活中木材产品的翘曲、变形现象较为常见。 干缩和湿胀是木材利用的重大缺点，了解其产生原因和发生规律，研究其防治方法对木材的加工和利用具有重要意义。1木材的干燥收缩和湿润膨胀1.1木材的干燥收缩和湿润膨胀现象(1)木材的干燥收缩和湿润湿材因干燥而缩小尺寸的现象被称为干燥收缩，干燥材吸收水分增加尺寸和体积的现象被称为湿润。 干缩和湿润现象主要发生在木材含水率小于纤维饱和点时，木材含水率大于纤维饱和点时，其尺寸和体积不变。木材的干燥收缩和木材的湿膨胀发生在完全相反的方向，双方都引起木材的尺寸和体积的变化。 对于小尺寸无约束力的木材，理论上干缩和湿膨胀是可逆的大尺寸实木样品，由于干缩应力和吸湿滞后的存在，干缩和湿膨胀不完全可逆。干缩和湿胀对木材的利用有很大影响。 干缩对木材利用的影响主要是木制品尺寸收缩造成的缝隙、翘曲变形和裂纹湿胀，不仅加大了木制品的尺寸，产生了地板隆起，不仅门窗关闭，木材力学性质也下降，有利于木桶、木钵和船等的膨胀。(2)木材干缩(湿润)种类的木材干缩分为线干缩和体积干缩两种。 线条的干燥收缩分为沿木材纹理方向的纵向干燥收缩和垂直于木材纹理的横向干燥收缩。 在木材的横截面上，分为直径方向和年轮的切线方向，横向的干燥收缩分为径向的干燥收缩和弦向的干燥收缩。纵向干缩是木材沿纹理方向的干缩，收缩率的数值小到0.10.3%，对木材的利用影响不大。 对于水平条纹收缩，径向干缩是横截面中的径向干缩，其收缩率为36%，弦向干缩是沿着年轮切线方向的干缩，收缩率的数值为612%，是径向干缩的1-2倍。 木材结构特点表明干缩和湿膨胀性质具有明显的方向性，各向干缩的不均匀性对木材的加工利用具有重要影响，不容忽视。由于木材径向干燥收缩、弦向干燥收缩的数值较大，其体积干燥收缩的数值较大，通常木材体积干燥收缩的数值在120%的范围内变化。 这种大量的体积变化，对含水量高的板材、方材、原木等产品来说，在贸易上容积不足，在木材流通领域必须注意这一问题。1.2影响木材干燥收缩和湿润膨胀的主要因素除了木材干燥收缩湿润膨胀明显的各向异性外，还与以下因素有关：(1)树种不同，其结构和致密度不同，干缩湿胀树种间差异较大(表5-5 )。 有些树种容易干燥，有些树种不易干燥，有些树种容易干燥，在使用和干燥过程中特别容易产生裂纹。(2)微丝角度木管细胞或纤维细胞壁S2层微丝角度对木材各个方向的干缩有很大影响。 微丝的角度变大的话，纵向的干燥收缩变大，弦方向的干燥收缩变小。 特别是当微丝的角度超过30时，木材纵向的干缩显着增大，产生板材的翘曲。 人工林短周期小径材和髓心板材易发生这种现象，直接影响板材的利用。(3)晚材率木材年轮内早晚材料的颜色差异很大，反映出其致密度差异很大。 现代技术的x射线密度计显示晚材的最大密度比早材的最小密度大23倍。 表56是马尾松木材的晚材率与其横纹干缩的关系，随着晚材率的增大，直径弦的干缩率线性增加，弦的干缩率总是大于径向的干缩率。 表5-3中3个树种分别测定了分离的早材、晚材，早材、晚材弦的干缩也大于其径向干缩。 这也反映了密实度大的晚材的干燥收缩性，远大于密实度小的柔软早材的干燥收缩性。 与木材顺筋干燥收缩相反，木材顺筋干燥收缩率与密度成反比。 当晚材料率增加时，顺纹干燥变小，木材密度越小，早材越多，顺纹干燥也越大。 这样的变异是因为早材次生壁的中间层较薄，微丝的排列呈相对较大的角度，木材的顺筋干缩与该角度成正比，所以早材率越大木材的顺筋干缩也越大的晚材率越大，木材的顺筋缩小。(4)树干中部位的树干中靠近髓心的木材，纵向的干燥收缩率大，径向的干燥收缩和弦方向的干燥收缩大，远离髓心的树木和树皮的木材，纵向的树干缩小，径向的树干缩小，弦向树干缩小。 这种变化与木材密度和纤维角度随年龄变化规律有关。2木材干燥收缩和湿膨胀各向异性的原因木材的干缩、湿胀有纵向、横向的不同和径向和弦向的不同，主要与木材这种构成材料的细胞种类、细胞壁结构和化学成分的特性有关。 针叶树材主要有管细胞组织，有少量木线组织。 阔叶材料的主要组成分子为木纤维、导管、轴向薄壁组织和木线。 细胞壁的主要化学组成是纤维素、木质素和半纤维素和少量提取物。 了解这些细胞壁结构的特性和化学成分的性质，不容易理解木材干缩和湿膨胀各向异性的原因。 分别论述顺纹方向(纵向)干缩和横纹方向(横向)干缩的不同、横向干缩中径向和弦向不同的原因。2.1纵向干燥收缩和横向干燥收缩不同的原因木材纵向干缩，横向干缩。 形成这种现象的主要原因是木材结构和化学成分的特性。 木材上只有木线细胞横向排列，大部分细胞纵向排列。 细胞壁在副生壁占压倒性的部分，副生壁中的S2层占绝对优势(7090% )，因此木材的干燥收缩主要取决于副生壁的S2层微丝的排列方向。 微丝由纤维素的长链状分子构成，纤维素与水的亲和力大，木材的含水率为纤维饱和点，细胞壁完全充满水。 当含水率达到纤维饱和点以下时，木材开始干燥，水分蒸发，微丝之间的距离逐渐缩小，图510B所示的隔热材料为止的最大干燥收缩量如图510C所示。 相反，隔热材料吸收水分时，微丝之间的距离逐渐变大，木材膨胀，达到纤维饱和点的最大湿润量。木材细胞壁二次壁中间层微丝的主轴由cc、co键连接，水分子不能进入纤维素分子链内的长度方向。 微丝链状分子上的碳、氧原子只能在原子核的范围内运动，其本身的轴向不收缩。 正常木材细胞次壁的中层微丝排列方向与主轴不完全平行，成1030o的角度，横纹收缩时轴向产生微小成分(0.1-0.3% )。 因此，轴向收缩较小，横向干燥收缩大于纵向。 纵向收缩的大小主要取决于微丝的角的大小。 由于S1层、S3层的微丝的排列方向与主轴大致垂直，因此S1层的微丝作为支架发挥作用，限制S2层的内侧收缩的S3层的微丝在外侧缠绕S2层，限制S2层向外侧过度膨胀，因此木材无限膨胀2.2径向和弦向干缩差异的原因木材径向干缩是弦向干缩的一半，这种现象的原因复杂，不是单一的理论，而是与不同树种、木材的结构有关。 目前的原因主要有早晚材料的影响、放射状木线的抑制作用、细胞径向壁与弦向壁木质素含量的差异以及纹孔数多少的影响等理论。(1)早材和晚材的影响木材收缩量与细胞壁所含物质的含量成正比。 早材材质柔软，细胞壁物质含量少，致密度低，干缩的晚材材质硬，细胞壁物质含量多，致密度大，干缩大。 横截面为径向，年轮为早材和晚材串联，径向干缩为早材干缩和晚材干缩的加权平均值。 弦方向、年轮中早材和晚材并列，弦方向的干燥收缩主要受晚材的影响，干燥收缩大的晚材使年轮整体干燥收缩，因此通过使弦方向的干燥收缩接近晚材的干燥收缩，木材的弦方向的干燥收缩比径方向大。(2)放射状木线的抑制作用木材中，木线是由唯一的横向排列细胞构成的。 木线细胞沿径向排列，其细胞的微丝排列方向与放射线细胞的轴向一致，其纵向收缩小，因此机械地抑制木材径向收缩的木材弦朝向放射线细胞的横向，横向干燥变大。 因此，木材径向收缩小于弦向。 北美栓皮栎实验表明，单一木丝组织径向全干收缩为2.5%，无辐射部分径向全干收缩率为5.1%。 杉树、赤松、扁柏等树种等于假设。(3)细胞径向壁和弦向壁木质素含量的差异影响木材的主要化学成分，木质素的刚性高于纤维素(纤维素、半纤维素)，木质素的吸湿性小于纤维素。 木材纵细胞径面壁木质素含量高于弦面壁，吸湿性小于弦面壁，木材径向干缩略受限制。(4)木材各种细胞干燥过程本身不均匀收缩的木材细胞分子中，导管、薄壁细胞弦干燥收缩大于径向干燥收缩，木线宽度方向干燥收缩(木材弦方向)大于长度方向(木材径向)干燥收缩，弦方向干燥收缩大于径向干燥收缩。 早晚材料的管弦比径向干缩大。 木纤维各个方向的干燥收缩大致相同。(5)径壁、弦壁的眼孔数量及其周围线的角度变大的影响眼孔是细胞二次壁局部不变厚而残留的孔。 纹孔的存在使周围微丝的排列方向偏离细胞主轴方向，丝角度变大，纹孔周围纵向干燥变大，横向(径向)收缩变小。 径向断面的眼孔多(针叶树材料特别明显)，其纤维角度大，纵向干燥大，横向(径向)收缩小。 弦切断面的孔眼少，线的角度小，纵向干燥小，横向(径向)收缩大，因此弦的方向比径向大。 此外，纹孔越多，胞壁的实质越少，木材的干缩与胞壁的实质成正比。 径面壁多筋孔，胞壁实质少，横向干燥缩小。3木材干燥收缩的评价指标和测定方法3.1木材干燥收缩性的评价指标木材的干缩和湿胀程度在三个不同的方向上不同，木材的干缩性质常用干缩率、干缩系数和差异干缩来表示。(1)气干收缩率是生材或湿材从没有外力的状态自由收缩到气干状态，其尺寸和体积的变化率称为木材的气干收缩率，可通过下式分别计算径向、弦向和体积的气干收缩率。(2)全干收缩率木材从湿材状态收缩到全干状态，其尺寸和体积的变化率称为木材的全干收缩率，径向、弦向、体积的全干收缩率分别可以用下式计算。木材的干燥收缩率中，3个方向的干燥收缩的大小为弦方向、径方向、纵方向的木材的体积干燥收缩率最大，与半径方向、弦方向和纵方向的干燥收缩率之和大致相等。(3)干缩系数为了能够比较不同含水率区域的干缩值，使用干缩系数这一指标，计算木材加工中的板材尺寸和湿单板剪切时应保留的干缩馀量。 计算生料和湿料的干燥收缩值，其起点含水率以纤维饱和点的30%的数值计算。干缩系数是指吸水每变化1%木材的干缩率变化的值，用k表示。 弦方向、径向、纵向、体积收缩系数分别记为KT、KR、KL、KV .(4)不同干缩木材的弦向干缩和径向干缩之比称为不同干缩。 弦径方向干缩比较小，纵向干缩小，木材尺寸稳定。 收缩率的大小是衡量木材稳定性好坏的主要依据，差异干缩是反映木材干燥时是否容易产生翘曲和裂纹的重要指标。 木材不同造成的干燥收缩的大小决定了木材对特殊用材的适应性。 为了在横向上的两个不同方向上比较径向代码的干涉减小的差异程度，干涉减小通常用差异干涉减小d来表示。根据d值的大小分为3个等级： D2大，例如样木为2.16； 1.5D2为中、水曲柳为1.79的D1.5小，例如，玉树为1.3。3.2木材干燥收缩的测定(1)试样要求：用饱和水分的湿材料制作，尺寸为202020mm，各方向必须是标准的纵向、径向的和弦方向。(二)方法和程序；测定时，试样的含水率应高于纤维饱和点。 否则，将试料浸入温度202的蒸馏水中，测量直至尺寸稳定。 在各试料的各相对面的中心位置，分别测量试料的径向编码方向尺寸，准确地测量到0.01mm。