木材毛细管流体动力学13-10-17

1、中国林科院博士生专业基础课木材毛细管流体动力学鲍甫成2006 / 07 / 202007 / 07 / 122008 / 11 / 202009 / 09 / 282010 / 09 / 202011 / 09 / 192012 /10 / 192013 /10 / 17目 录1. 木材毛细结构与毛细管力（Capillary structure and force in wood）1.1 液体表面性质(Surface properties of liquid)1.1.1 气液界面表面层 1.1.2 表面能1.1.3 表面张力1.1.4 气固界面润湿现象1.1.5 毛细现象1.2 毛细张力与毛细

2、压力(Capillary tension and pressure)1.3 木材毛细结构（Capillary structure in wood）1.3.1 针叶树木材毛细结构1.3.2 阔叶树木材毛细结构2. 毛细管力与木材干燥（Capillary force and wood drying）2.1 水分移动机理(Moisture movement mechanism in wood)2.1.1 含水率低于纤维饱和点时水分移动2.1.2 含水率高于纤维饱和点时水分移动2.2 皱缩形成原理(Collapse in wood)2.2.1 皱缩形成原因2.2.2 皱缩形成过程2.2.3 皱缩的减少

3、和回复2.3 纹孔闭塞机理(Pit aspiration in wood)2.3.1纹孔闭塞动力2.3.2 纹孔闭塞形成过程与还原2.3.3纹孔闭塞变异性3. 毛细管力与木材浸注(Capillary force and liquid impregnation of wood)3.1 内压力浸注原理(Liquid impregnation of wood by internal or capillary force)3.1.1 单向浸注3.1.2 立体浸注3.2 外压力浸注原理(Impregnation of wood by exterior force)3.2.1 毛细管力对压力浸注的影响3.

4、2.2 端部浸注3.2.3 冷热槽浸注3.2.4 压力罐中高压浸注参考文献(Reference) 木材流体关系学是研究木材与流体的相互作用及其效应的一门科学，包括木材流体静力学与动力学两部分。前者是研究木材与其周围流体介质的平衡规律性学向，后者则是探讨木材中流体移动的规律及其移动过程的动力学。木材毛细管流体动力学虽是一门基础科学，但是它与木材非机械加工处理，例如制浆、造纸、防腐、阻燃、改性、涂饰、油漆、胶粘、干燥、真空等生产实际有着密切的关系。研究木材毛细管流体动力学，可以了解木材非机械加工处理过程中所发生的一些物理现象的基本原理与规律，从而可以有助于掌控这些非机械加工处理过程。1.木材毛细结

5、构与毛细管力1.1液体表面性质1.1.1 气液界面表面层自然界中液体分子运动的特征以及液体的许多性质，都由分子间相互作用力来决定的。分子间的相互吸引力只有在很短的距离内才能发生作用，这个距离不超过6×10-7cm。由于分子引力在各个方向上是一样大的，因而分子引力作用范围可以认为是一个半径不超过6×10-7cm的球。若在液体内部任意取一个分子M1（图1），以它为中心的分子作用球就处在液体内部，球内所有分子对M1的作用力的合力为零，即M1所受到的分子引力是互相平衡的。图1 液体表面层但在液体表面上的分子M2所受到的引力情况就不同于M1，以M2这个分子为中心的分子作用球，只有一半

6、在液体内部，另一半在气体中，作用球上半部的气体分子，比起下半部的液体分子要少得多，所以它们对M2的吸引力比液体部分对M2的吸引力小很多，甚至可以忽略不计。这样，可以认为只有作用球下半部的液体分子对M2有作用。作用球下半部的所有分子对M2的作用力的合力方向跟液面垂直而指向液体内部。对于液体分子M4来说，由于它跟液面的距离等于分子作用球半径，因此球内各分子对它的作用力的合力也就等于零了。可以看出，液体在跟气体交界并且厚度等于分子作用球半径的液体薄层中的所有分子（M2），都受到指向液体内部力的作用，液体表面的这一薄层叫做表面层。液体表面层中的分子，在指向液体内部的引力作用下，有从液体表面层进入液体内

7、部的趋势，因而液体要尽可能地缩小它的表面积。1.1.2 表面能由于表面层里的分子都受有指向液体内部的拉力作用，如果要把液体分子从内部移到表面层去，就必须克服这个拉力作功，这个功变成分子的势能。表面层中全部分子所具有的额外的势能的总和，叫做表面能。它是内能的一种形式。液体的表面越大，具有势能的分子数也就越多，表面能也就越大。根据一个物体在稳定平衡时势能最小的原理，表面层中的分子有向势能较小的位置移动的倾向。因此，一定质量的液体处于稳定平衡时，它的表面能总是处于一切可能值中的最小值。但是，只有在液体的表面积减小时，它的表面能才可能减少。因此，液体的表面要尽可能的收缩，直到表面积最小时为止。从几何学

8、得知，包围一定体积的各种表面，以球面的面积为最小。所以，除了液体内部的分子相互作用力以外，如果没有外力作用，液体都将形成球状。1.1.3 表面张力上面已经从能量观点解释了液体表面的收缩趋势，液体表面处于伸张状态而自动收缩的力叫做表面张力。设想在液面上画一条直线，那么，作用在直线两侧的力与液面相切、大小相等、方向相反（图2）。分界面的表面张力的大小等于作用在该直线一侧的合力除以其长度，也就是说，表面张力以单位长度上的力表示，F图2 液体表面张力r=（1）Fx式中：r分界面的表面张力，N/mF作用在长度为X的直线一侧的表面张力合力，NX直线长度，m表面张力还可以用单位面积上的表面能，即比表面能来表

9、示。由于表面张力的存在，一定量的液体总是力求呈现尽可能小的表面积和尽可能低的能量状态。要扩大分界面面积（dA）就需要作功（dw），而且做功所消耗的能量在表面积又缩小时可全部回收。这也就是说，储存在液体表面或气液界面的能量像储存在压缩弹簧里的能量一样都属于势能。比表面能即单位面积上的能量，单位是J/m2，与N/m相当，以导数表示，r=（2）dWdA式中，r表面张力或比表面能，N/m，J/m2dA扩大的表面积，m2dW扩大表面积dA所需要做的功，J1.1.4 液固界面的润湿现象如果液体的表面跟气体相邻，在液体的表面层中的分子都受到一个指向液体内部的力的作用，而使液体表面趋于收缩，这种现象是没有例外

10、的。现在要讨论液体跟固体接触面上的一些现象。跟固体接触的液体薄层叫做附着层。附着层的液体分子，一方面受到液体内部分子的作用（内聚力），另一方面受到固体分子的作用（附着力）。液体是否润湿固体要看内聚力和附着力哪一个大来决定。为说明润湿与不润湿现象，考虑附着层中任一分子A的受力情况（图3），在内聚力大于附着力情况下（图3.a），A分子受到的合力f垂直于附着层并指向液体内部，这时要将一个分子从液体内部移到附着层，必须反抗合力f作功，结果使附着层中势能增大。因为势能总是有减小的倾向，因此附着层就有缩小的趋势，从而使液体不能润湿固体。反之，在附着力大于内聚力的情况下（图3.b），A分子所受到的合力f垂直

11、于附着层，但指向固体，这时，分子在附着层内比在液体内部具有较小的势能，液体分子要尽量挤入附着层，结果液体沿固体表面散开，使附着层扩展，从而使液体润湿固体。图3 液体润湿现象液体跟固体接触处液面的形状，在较大的容器中，离器壁稍远处的液面总是水平的，然而，器壁附近的液体表面却总是弯曲的形状。如果液体润湿固体器壁，则液体将紧附在器壁上，并沿壁面展开，这时接触处的液面向上弯曲（图4.a），如水分与玻璃容器或与木材细胞接触处的情况。这是因为水分子与固体器壁间的附着力大于水分子间内聚力，因而会有沿固体器壁散开的趋势。如果液体不能润湿器壁，如水银在玻璃容器中时，在接触处的液面向下弯曲（图4.b）。这是因为水

12、银分子间内聚力大于水银分子跟固体器壁分子之间的附着力，因而水银有离开器壁收缩的趋势。 （c） （d）图4 液体弯月面在大的容器中，只有在器壁附近才能看到液面的弯曲现象，但是在很小的容器中这种现象就十分显著，以致整个液面形成凹形或凸形，这种凹形或凸形液面叫做凹形（图4.c）或凸形（图4.d）弯月面。在液体与固体接触处，作液体表面弯月面的切线与固体表面的切线，这两切线通过液体内部所成的角度称为接触角（图5）。为锐角时（图5a、5c），液体润湿固体；=0时，液体将展延在全部固体表面上，这时液体完全润湿固体；为钝角时（图5b、5d），液体不润湿固体；=时，液体完全不润湿固体。abdc图5 液体接触角1

13、.1.5 毛细现象通常把内径等于或小于1mm的管子叫做毛细管。木材的各种细胞都属于毛细管，所以木材通常称之为毛细多孔体。由于弯月面的形成，使得沿液面切面方向作用的表面张力的合力，在凸弯月面时，指向液体内部（图6a）；在凹弯月面时，指向液体外部（图6b）。这个合力的作用，就使弯月面下液体的压强发生了改变，也就是对液体产生了一个附加的压强。可以看出，凸弯月面下液体的压强大于水平液面下液体的压强，而凹弯月面下液体的压强小于水平液面下的压强。图6 液体表面张力合力根据流体静力学基本原理，流体静止时同高两点的压强应相等。因此，当液面为凹弯月面时，细管里液体不断上升，直到上升液柱的静压强抵消了附加压强为止

14、或与水平液面下液体压强相等时为止；同样地，当液面为凸弯月面时，细管里的液体有一定程度的下降，下降到与水平液面下液体的压强相等时为止。这种润湿管壁液体在毛细管中上升和不润湿管壁液体在毛细管中下降的现象叫毛细现象（图7）。图7 液体毛细现象1.2毛细张力与毛细压力液体表面张力产生的毛细现象可以使毛细管里液体上升或下降（图8）。表面张力合力表面张力合力图8 液体弯月面上、下压力降计算引起凹形弯月面液体上升的表面张力合力的大小，可以将此表面张力（）乘以接触角余弦值()得表面张力的向上部分力，再乘以表面张力作用的边界线长()，即可得总向上力（表面张力合力）：向上力=2Rrcos （3）式中：R毛细管半径

15、，m（1×10-6m）；r水的表面张力，0.073N/m； 水与木材的接触角,o。与此向上力的向下平衡力为凹形弯月面气水界面上、下压力降：向下力=（P0-P1）R2 （4）式中：P0 为气水界面上大气压力，Pa；P1为气水界面下液体压力，Pa。于是上、下力平衡式为：2Rrcos=（P0-P1）R2 （5）由此（5）式得毛细管力方程：P0-P1=（6）2r cosR此向上力也为其上升的总液柱重（R2gh）所平衡，其上、下力平衡式为：2Rrcos=R2gh （7）式中：为水的密度，1×103kg/m3；g为重力加速度，9.8m/S2；h为水柱上升高度，m。由此（7）式可得毛细管

16、里气水界面升高方程：h=（8）2r cosRg为便于计算，毛细管力方程（6）可简化，设水与木材接触角为零，水的表面张力为0.073N/m，得毛细管力简化方程如下：P0-P1=Pa （9）1.5×105R(m)毛细升高方程（8）也可作同样简化，得毛细升高简化方程：h=0.015×103R(m )m （10）凹形弯月面下液体压力（P1）小于弯月面上大气压力（P0）（图8）。由方程（9）可见，若毛细管半径很小，凹形弯月面下的压力P1可能是负值。如R=10m（相当于针叶树材管胞尺寸），则P0-P1=0.15atm或0.15×105Pa，当大气压力P0=1atm或1

17、5;105Pa，则P1=0.85atm或0.85×105Pa；如R=1m（相当于木材纹孔膜微孔尺寸），则P0-P1=1.5atm或1.5×105Pa，当大气压力P0=1atm或1×105Pa，则P1=0.5atm或0.5×105Pa。该P1负压力称为毛细张力。毛细管半径愈小，毛细张力愈大。当气液界面为凸形弯月面，如水银在玻璃管中或在木材细胞中，弯月面下液体压力P1将高于弯月面上方大气压力P0，此P1为正压力称为毛细压力。当方程（6）应用于水银在木材中，设水银与木材接触角为130º，水银表面张力为0.485N/m，按照方程（6）得在木材中气水银界

18、面的毛细管力方程简化式：P1-P0=Pa （11）6.2×105R1.3 木材毛细结构木材是一种天然生长的毛细多孔有限膨胀胶体，是由各种形状、各种大小、各种组织比量和各种连通情况的永久毛细管状单元（如细胞腔、纹孔腔大毛细管）和瞬时毛细管状单元（如细胞壁上纤丝之间、微纤丝之间空隙微毛细管）相互串联和并联起来的一种复合毛细管结构系统。任何一种木材都具有以下三条串联毛细管结构：（1）细胞腔永久毛细管与非连续细胞壁瞬时毛细管串联结构；（2）细胞腔与纹孔串联毛细管结构；（3）连续细胞壁瞬时毛细管结构。这三条串联毛细管结构又相互并联起来，成为一个统一的并联串联毛细管状体（图9）。流体在一定条件下

19、，通过这并联串联毛细管状体，流动于木材中。它既可以自木材内排出，如干燥和真空；也可以从木材外注入，如防腐、阻燃、制浆、造纸、油漆、胶粘和改性处理等将流体注入到木材内（统称浸注）。任何一种木材非机械加工处理即水热处理都是包括在这个正、反两个方向移动过程之内或其一。虽然流体可以流动于木材中，但木材的毛细结构对流体流动的有效性或效率却是迥然各异，其有效性的高低随着毛细管半径和数量以及毛细管的状况的不同而变化。（1）非连续细胞壁细胞腔（2）纹孔（3）连续细胞壁图9 木材并联串联毛细结构示意图以下就木材的具体毛细结构作具体介绍。1.3.1 针叶树材毛细结构针叶树材中细胞主要是管胞（图10.（a），其直径

20、约为30m，它们由重纹孔相连。纹孔膜膜缘上有超微孔（图10.（b），其直径约为0.20.6m。纹孔托上有超微孔，一般不可见，但可能存在有弯弯曲曲超微通道。重纹孔多位于两管胞端头相连接的部位，所以纵向相连的管胞列联系较好，从而纵向的流体渗透性和扩散性都好于横向。 （a） （b）图10:（a）美国西部落叶松（Larix occidentalis）扫描电子显微照片 （b）加拿大铁杉（Tsuga canadensis）边材管胞未闭塞的具缘纹孔膜超微孔（自Siau,1995）不同针叶树材的渗透性和扩散性取决于重纹孔数、纹孔膜膜缘上超微孔数和半径，以及纹孔膜在纹孔腔中的位置状况（图11.（a）（b）和其中

21、有无浸提物。当纹孔膜偏向一侧，堵住了纹孔口，关闭了纹孔腔（图11.（b），此种现象称之为纹孔闭塞或纹孔托偏移。一旦发生时，纹孔就失去渗透性和扩散性。在显心材和隐心材中，纹孔大部分发生闭塞现象，所以树干这部分木材渗透性和扩散性小于边材。针叶树中的晚材渗透性和扩散性优于早材，也是由于晚材纹孔闭塞现象比早材少。 (a) (b)图11: （a）光松（Pinus glabra）心材早材木射线或管胞间未闭塞的纹孔托居中（左）及辛松（Pinus Pungens）心材早材木射线管胞与轴向管胞间未闭塞的纹孔托居中（右）。 （b）萌芽松（Pinus echinata）心材早材管胞间闭塞纹孔的纹孔托位置偏移（左）及

22、湿地松（Pinus elliottii）心材晚材管胞间闭塞纹孔的纹孔托位置偏移（右）。1.3.2 阔叶树材毛细结构阔叶树材中细胞主要输导分子是导管（图12（a），其直径大约为50200m，环孔材中早材导管直径比晚材大。导管是由许多导管分子借助于它们之间的穿孔板连接成一个长管子，长可达到约3m。穿孔板上有各种数量和形状的穿孔，有单穿孔和复穿孔。前者有单一圆形孔口，后者有梯状孔口和网状孔口。导管之间分布有韧形纤维和木射线与薄壁细胞。韧形纤维直径约为1540m。导管之间及导管与韧形纤维之间有重纹孔相连。纹孔膜上不像针叶材那样有纹孔托（图12.（b），但其上有超显微小孔。这些超显微小孔的数量和尺寸在不

23、同树种中是不相同的，因此不同的阔叶树种具有不同的渗透性和扩散性。 (a) (b) 图12: （a）环孔阔叶材美加红栎（Quercus rubra）电子显微照片（b）美加红栎木材导管间纹孔膜（自Siau,1995）随着心材的形成，导管被一些侵填体（图13）和树胶所堵塞，所以阔叶树心材渗透性与扩散性低于边材。在针、阔叶材中，被木材物质所吸附的液体可以沿着细胞壁上纤丝之间、微纤丝之间孔隙移动。这些孔隙一般称为微毛细管。吸着水在含水率梯度作用下或毛细管力梯度作用下沿着木材细胞壁上这些微毛细管移动的特性称之为扩散性。自由水在外力作用下沿着由纹孔相连的细胞腔称为大毛细管移动的特性称之为渗透性。液体在渗透性

24、作用下的移动强度大大高于扩散性作用下的移动强度。木材细胞腔如管胞腔和导管腔的毛细管力和毛细升高可按公式（9）、（10）算出。若管胞腔半径为30m（30×106m），水的表面张力为0.073N/m，水与木材接触角为零，则管胞腔气水界面毛细管力从公式（9）可得：P0P1=1.5×105=0.05×105Pa30水在此管胞腔的毛细升高从公式（10）可得，h=0.015×103=0. 5m30木材纹孔膜微孔的毛细管力和毛细升高比管胞要高得多，如纹孔膜微孔的半径为0.3m（0.3×106m），则在此微孔气水界面的毛细力，代入公式（9）得：P0P1=1.5

25、×105=5×105Pa0.3水在此纹孔膜微孔的理论毛细升高，代入公式（10）得：h=0.015×103=50m0.3由上可见，水在纹孔膜微孔的毛细管力和毛细升高均较水在管胞的毛细管力和毛细升高大100倍。 图13 泡桐木材导管内侵填体（自鲍甫成，1990）2毛细管力与木材干燥2.1 水分移动机理生材或湿材放在空气里干燥要逐渐失去水分，先失去自由水，后失去吸着水。失水的过程包括从木材表面蒸发和由内部向外部移动，从比较湿的内部向比较干的外部移动。水分移动机理在含水率高于和低于纤维饱和点时是各不相同的。2.1.1 在含水率低于纤维和点时水分移动当木材含水率低于纤维饱和

26、点时，只有细胞壁含有吸着水，此时若将木材放在空气中干燥，水分便从表面蒸发。由于水分表面蒸发比在内部移动快，结果表层含水率比内部低，便在木材中形成含水率梯度（图14（1）。而水蒸汽压力梯度取决于含水率梯度即含水率的不均匀分布，由此呈现出相应的水蒸汽分压力梯度。在这种水蒸汽压力梯度的作用下，水蒸汽沿着细胞腔大毛细管系统和细胞壁微毛细管系统由木材内部向外部扩散，其扩散速度与水蒸汽压力成正比。（1） （2）图14 木材含水率梯度（1）含水率低于纤维饱和点（2）含水率高于纤维饱和点Wp最初含水率Wf.s.p 纤维饱和点含水率We 平衡含水率W0含水率为零水蒸汽在水蒸汽压力梯度作用下沿着大毛细管和微毛细管

27、移动的同时，吸着水以液态在毛细管力梯度作用下沿着微毛细管移动。因为毛细张力的高低与充满水分的毛细管半径大小成反比，毛细管半径小者，毛细张力高。而微毛细管半径随着含水率而变化，木材表层由于含水率比内层低，其纤丝、微纤丝、微晶之间的水层较内层薄，毛细管半径较内层小，因而其毛细管力较内层大，由此产生毛细管力差。吸着水就在此种毛细管力梯度作用下，从含水率较高的木材内部向含水率较低的木材外部移动，其移动速度与毛细管力梯度成正比。可以看出，无论水蒸汽压力梯度或毛细管力梯度都是取决于含水率梯度，因此可以将微毛细管中液态水和汽态水以及大毛细管中汽态水的移动过程统统看成是吸着水在含水率梯度作用下移动过程，其移动

28、速度取决于此含水率分布不均匀和木材扩散性，即与含水率梯度和扩散性成正比。扩散性是表征木材在含水率低于纤维饱和点时通过吸着水的能力，扩散系数则是表征木材通过吸着水能力的强弱。上述吸着水移动机理适合于各种不同树种的木材，但各种木材对于水分传导的有效性，即木材扩散性的高低，则因各种木材大、小毛细管半径和数量以及状况的不同而不同。2.1.2 在含水率高于纤维饱和点时水分移动当木材含水率高于纤维饱和点时，木材中水分的移动机理，与含水率低于纤维饱和点时不同，水分移动的原动力与含水率梯度无关。因为尽管自由水含量在不同部位上可能不同，但在整个木材厚度上都含有自由水，水蒸汽压力到处都是一致的，都等于饱和蒸汽压，

29、水蒸汽压力梯度等于零，因而不存在水分以汽态沿着大毛细管发生移动；同时由于细胞壁充满水分，微毛细管尺寸到处都是一样，因此也不存在吸着水以液态沿微毛细管移动；而且，由于大毛细管弯月面半径在试样厚度方向上基本上是一致的，由它所决定的毛细管力在试样厚度方向上基本没有变化，同样不存在自由水在大毛细管力差作用下移动。所以当木材含水率高于纤维饱和点时，自由水不可能以内力发生移动，唯有可在外力作用下沿着大毛细管移动。但是，如果将含水率高于纤维饱和点的木材进行干燥，其表层水分由于蒸发将很快降低，在含水率降低到纤维饱和点以前，水在木材内部以内力的移动不可能发生。一旦表层含水率降低到纤维饱和点以下，则将出现完全不同

30、的情形，此时表层微毛细管最大半径将比含有自由水的内部小，结果就在表层和内部之间产生毛细管力差。此种毛细张力差促使自由水从木材内部往自由水蒸发面移动并向空气中蒸发。随着干燥的继续进行，蒸发自由水表面逐渐向内部延伸，并在沿木材厚度方向形成三个区域：（1）含水率低于纤维饱和点的扩散区域（图14.(2).a），吸着水在此区域内移动取决于含水率梯度与扩散系数；（2）蒸发自由水区域（图14.(2).b），此区域平均含水率高于纤维饱和点，并由外向内逐渐增高，实际上此区域内有的地方含水率高于纤维饱和点，有的地方含水率低于纤维饱和点；（3）毛细管区域（图14.(2).c），此区域整个含水率高于纤维饱和点，自由水

31、在毛细张力差作用下，向蒸发自由水区域与毛细管区域的相邻接表面蒸发，一部分转为蒸汽，一部分继续以液态沿扩散区域的微毛细管移动，此区域自由水移动速度取决于毛细张力梯度和毛细渗透性。上述三个区域的宽窄，在木材干燥过程中随着木材最初含水率、木材水分扩散性和毛细渗透性而有不同，但水分移动机理和水分分布特性，对于所有树种是一致的，整个水分的排除都经过木材外部扩散区域，其排除快慢最终是决定于水分在扩散区域的移动。综上所述，对木材进行干燥，在含水率低于纤维饱和点时，吸着水在毛细管力的作用下以液态沿微毛细管移动，水蒸汽在大、小毛细管移动；在含水率高于纤维饱和点时，吸着水在扩散区域以液态在毛细管力作用下沿着微毛细

32、管移动和水蒸汽在大、小毛细管移动，及自由水于毛细管区域在毛细管力作用下以液态沿大毛细管向着与蒸发自由水区域相邻接的表面移动。2.2 皱缩形成原理2.2.1 皱缩形成原因木材皱缩（溃）是木材干燥产生的一种缺陷，它造成细胞尺寸的减小，就好像在木材的表面施加一个正压力把木材压坏了一样，外形像洗衣板一样。木材皱缩与木材干燥时的干燥应力有关，因为最初表层干缩比内层大，对内层形成一压力，使木材产生皱缩。但干燥时木材毛细结构里的毛细管力则是产生皱缩的主要原因。当毛细管力大于木材横纹抗压强度时便产生皱缩。木材干燥的一个重要制约因素常常是从木材细胞腔中排除自由水问题。木材干燥早期之所以必须采用低温，是因为高温时

33、自由水排除太快和木材横纹抗压强度降低过大，引起干燥缺陷发生。快速干燥技术的关键是寻找一种有效排除自由水而不产生皱缩的方法。因此，了解自由水在木材干燥时如何从一个细胞向另一个细胞移动以及皱缩如何发生是很重要的。毛细张力可以使液体在毛细管中上升（图8.a，图15.(a)）。气水界面上的表面张力对界面下的水分形成一向上的拉力（图15.(a)向上的细箭头），在平衡时气水界面下的水分对气水界面施以一相等但方向相反向下的拉力（图15.(a)中向下的粗箭头），同时对细胞壁如同对界面一样施以一向内的拉力（图15.(b) 4个短箭头）。图15 自由水从木材细胞中蒸发（自Siau,1995）图15.(b)表示毛细

34、管蒸发水分的表面，在此阶段其表面曲率半径（ri）比较大，因而毛细张力比较小。毛细张力在整个毛细管中发生作用，对胞壁和气水界面产生一向内拉力。随着水分的继续蒸发，其蒸发表面的曲率半径将减小，一直减到与蒸发水分的孔径一样大（图15.(c)），毛细张力随之达到最大（15.(c) 4个长箭头）。如果此时产生的毛细张力大于木材横纹抗压强度，即发生皱缩；反之则不会发生皱缩。随着水分的继续蒸发，蒸发面进入到细胞腔，导致毛细管半径（ri）增加，毛细管力减小（15.(d)）。由上可见，当蒸发表面曲率半径等于蒸发孔半径时，毛细管力最大（图15.(c)所示）。2.2.2 皱缩形成过程图15.(e)15.(l)表示生

35、材中自由水的移动是怎样发生的。图15.(e)表示开始时除两个细胞含有气泡外，其余细胞充满水分。这两个气泡尺寸大小不同。木材干燥仅仅从暴露在空气中的细胞表面上发生，其它三面由细胞壁包住。当自由水通过暴露在空气中的细胞表面蒸发出去时，气水界面上形成弯曲的弯月面。在此干燥开始阶段，弯月面的的曲率半径比较大，如图15.(e)所示，其毛细管力比较小。一旦表面细胞水分蒸发完毕，蒸发面下移至纹孔膜微孔（图15.(f)），蒸发面曲率半径减小。随着蒸发面曲率半径减小，毛细管系统里的毛细张力随着毛细管半径减小而增大。毛细张力对整个系统里的细胞壁和气水界面产生拉力作用。增大的毛细张力引起大气泡膨胀（图15.(g)）

36、。因为大气泡比较弱，首先膨胀。随着大气泡膨胀，大气泡所在细胞里的水分排空（图15.(h)）。水分排空主要是通过相邻的细胞向蒸发面移动完成。因此，木材内深处细胞里的自由水有可能比表层细胞先失去，这也就解释了为什么局部干燥的木材存在有湿斑。大气泡膨胀充满整个细胞以后（图15.(h)），随着弯月面进一步下移到纹孔膜微孔，气水界面曲率半径又减小，系统内毛细管力再次增大，大到直至足以引起小气泡膨胀（图15.(i)）。随着小气泡膨胀，空气置换出的水分通过相邻的细胞壁和纹孔膜微孔移动并最终从表面蒸发出去。随着蒸发的继续进行和蒸发面曲率半径又下移到纹孔膜微孔（图15.(j)），自由水的毛细张力增大到比以往任何

37、时候都大，因为附近再也没有气泡以膨胀的方式缓解这个毛细张力。作用在细胞壁上的这个最大毛细管力的拉力可按公式9计算。按照毛细管力方程公式9，毛细张力的大小是取决于系统里最大纹孔膜微孔尺寸。通常大多数木材能经受得住最大毛细管力而不发生皱缩。当蒸发面达到充满水分细胞时（图15.(k)），结果弯曲面曲率半径逐步增大，毛细管力随之逐步减小。此时水分一方面向空中蒸发，一方面以蒸汽形式向木材表面移动，水分最终排空（图15.(l)）。其它深处细胞水分的排除以同样的方式进行。如果纹孔膜微孔足够小，产生的毛细张力足够大和细胞壁足够薄，薄到毛细张力超过木材横纹抗压强度时，气水界面毛细张力能引起充满水分的细胞发生皱缩

38、。皱缩可在几个细胞（图15.(m)）或全部细胞（图15.(n)）发生。这种皱缩现象在高温时尤其明显，因为细胞壁强度随着温度的升高而下降。木材干燥过程中发生皱缩的因素概括如下：（1）纹孔膜上微孔小，从充满水分的细胞里排除水分时毛细张力大，木材容易发生皱缩。（2）胞壁薄、密度低的木材横纹抗压强度小，当小于毛细管力时，即容易发生皱缩。（3）木材中排除的液体表面张力高，形成毛细张力大，可促进皱缩发生。（4）高温能减低木材横纹抗压强度，易使木材发生皱缩。2.2.3 皱缩的减少与回复从表1可以看出，一些有机溶剂的表面张力差不多是水的1/3，按照公式（9），他们可以将毛细张力减少到仅为水的1/3。因此，木材

39、干燥时，借助于用表面张力比较低的有机溶剂置换表面张力比较高的木材中自由水可以大大减少毛细张力，从而可以减少皱缩的发生。有人用甲醇和乙醇置换干燥木材，避免了一些对皱缩比较敏感的阔叶树木材皱缩的发生。表1 气液界面表面张力（20）液体表面张力（N/m）戊烷乙醇丙酮苯甲苯水水银0.0160.0220.0230.0290.0290.0730.485发生皱缩的木材于干燥后经高温、高湿处理一段时间往往可以复原，此时细胞里的空气和水蒸汽对细胞内部施加一个压力以矫正原先造成皱缩的毛细张力。2.3 纹孔闭塞机理2.3.1 纹孔闭塞动力纹孔闭塞或纹孔托偏移是指木材干燥时纹孔托从中央位置偏向某一侧纹孔口而关闭纹孔，

40、是木材干燥中经常发生的一种现象。它减低木材流体扩散性与渗透性，增加流体在木材中移动的困难。纹孔之所以发生闭塞归之于毛细张力。生材边材大多数没有发生纹孔闭塞。用乙醇、丙酮、戊烷等有机溶剂对其进行置换干燥，闭塞纹孔数量没有增加，这是由于这些有机溶剂表面张力比较小（表1）所形成的毛细张力比较低的结果，从而防止了纹孔闭塞。生材边材用表面张力比较低的表面活性剂水溶液和有机溶剂进行置换干燥。表面活性剂水溶液表面张力为0.020N/m，有机溶剂表面张力为0.044N/m，结果在表面张力比较低的表面活性剂水溶液中干燥时纹孔发生闭塞，而在表面张力比较高的有机溶剂中干燥时却未发生纹孔闭塞，表明为防止纹孔闭塞对木材

41、进行溶剂置换干燥，不仅要求溶剂表面张力比较低，而且要求其不具备形成氢键能力促使纹孔托与纹孔缘之间的粘着力增大而发生纹孔闭塞。木材进行酯化处理或醚化处理形成羟基化学屏蔽，可以防止木材干燥后60%纹孔闭塞，而未经酯化或醚化处理的试样所有纹孔均发生闭塞，表明羟基对纹孔闭塞的形成确有很重要的促进作用。2.3.2 纹孔闭塞形成过程与还原毛细张力形成纹孔闭塞的机理，可参阅图16.ad。图16.a表示一个大的曲率半径弯月面在纹孔口两个纹孔缘之间形成；图16.b表示弯月面退至纹孔缘与纹孔托之间，形成环形弯月面，由于此弯月面曲率半径减小，而使水处在比前者（图16.a）较高的毛细张力下；纹孔腔内水分排完后，蒸发便

42、在纹孔膜缘上的小孔（纹孔膜微孔）进行（图16.c），从而产生比图16.b更大的毛细张力，以迫使纹孔膜向充满水分的细胞腔偏移，随着这个过程的连续进行，直至纹孔托偏移堵住纹孔口（图16.d），这是由于纹孔托上的小孔比膜缘上小孔更小，产生毛细张力更大所致（不过纹孔托上小孔一般不可见，可能存在着杂乱无章的微纤丝之间弯弯曲曲的通道，就像滤纸纤维之间的弯弯曲曲的通道一样）。蝶样纹孔托如图16.e所示；真正如蝶状的纹孔托完全堵住纹孔口如图16.f所示。对已经发生纹孔闭塞的试样，可以用水浸泡以打破纹孔托与纹孔缘之间的氢键，然后以表面张力比较低的有机溶剂进行置换干燥，那些原来已经出现的纹孔闭塞状况有可能还原成不

43、闭塞状况。纹孔闭塞的时间越长，试样浸泡水的时间就要求越长。图16 纹孔闭塞形成过程（自Siau, 1995） 总结起来，有以下诸因素造成纹孔闭塞，包括木材和液体两个方面：（1）纹孔膜缘上微孔尺寸要小，形成毛细张力大，大到足以可使纹孔膜位置发生偏移。（2）纹孔膜的刚性要比毛细张力低。（3）液体的表面张力与接触角之间的关系必须具备使初始的毛细张力大到足以使纹孔膜位置发生偏移的能力。（4）从木材中所排除的液体必须具备形成氢键的能力。（5）从木材中所排出的液体使木材湿胀的能力必须近似或大于水。2.3.3 纹孔闭塞变异性纹孔闭塞或纹孔托位置偏移减低木材渗透性与扩散性，增加木材干燥与浸注困难。生材边材大多

44、数纹孔托位置没有发生偏移，但随着木材干燥的进行，木材中自由水的减少，纹孔托偏移数量逐渐增加，直到自由水降到纤维饱和点时，大多数早材纹孔托位置发生偏移。自由水再往下降，降到纤维饱和点以下，纹孔托偏移数不再有明显增加。生材心材在干燥以前，其含水率通常就已小于纤维饱和点，大多数纹孔就已发生闭塞，所以心材比边材难浸注。干材中早材纹孔闭塞数量比晚材多得多，所以晚材尽管纹孔少而小，渗透性比早材高，浸注性比早材好。未闭塞纹孔数与木材密度或和细胞壁厚度成正比。晚材纹孔膜对纹孔托偏移产生较大的阻力，不易产生纹孔闭塞，是由于细胞壁比较厚和纹孔直径比较小，纹孔膜具有比较大的刚性缘故。有研究者对纹孔膜产生偏移所需要的

45、压力进行了计算，得出对于早材前部的纹孔只需要5.4×105Pa(5.4atm)压力便产生闭塞，对于晚材中部的纹孔则需要690×105Pa（690atm）压力才发生偏移。这个计算结果与早、晚材纹孔膜刚度的不同是相一致的，说明为什么晚材纹孔膜不容易产生闭塞。还有研究者对从木材中排除表面张力为0.073N/m的水时，要使纹孔发生闭塞的纹孔膜微孔所需具备的尺寸进行了计算，计算结果得出，对于早材应小于0.3m，对于晚材应小于0.002m。0.3m对于早材纹孔膜微孔是一个相当大的数字，即早材纹孔膜微孔一般要小于0.3m，故早材纹孔发生闭塞的几率很大；而0.002m对于晚材纹孔膜微孔来说

46、是远远小于实测值（0.012m），即晚材纹孔膜微孔一般要大于0.002m，所以晚材纹孔发生闭塞的几率很小。3、毛细管力与木材浸注使浸注液浸入木材中，一般而言有三种方法，一是利用内压力，将浸注液浸入到木材大毛细管与微毛细管；二是利用外压力将浸注液浸入到所述二类毛细管中；三是利用浸注液物质分子从围绕木材表面的浸注水溶液中向木材大小毛细管中的水分扩散。扩散浸注法与毛细管力关系不大，本章就不作介绍。下面先介绍内压力浸注，后介绍外压力浸注。3.1 内压力浸注原理内压力浸注是利用木材毛细管力将浸注液注入到木材大、小毛细管中。内压力浸注有单向浸注和立体浸注。3.1.1 单向浸注立木中树液在根压和树冠毛细张力

47、作用下升得很高。树液沿立木树干移动的必要条件是从树根到树冠在树液整个移动的通路上的输导分子中有一个连续的充满液体的毛细管系统，也就是说木材中含有足够的自由水。在树木的显心材和隐心材（熟材）部分，不具备这种条件，因为水分不多，树液的移动就不存在。伐倒並去除树冠的树木中，树液移动停止。如果将树干一端（或木段的一端）直立浸入水中或水溶液中，另一端自由开放，则可以观察到水分沿木材毛细管移动。这种移动情况和移动强度取决于是干材还是湿材而不同。l 首先看看干材中水分毛细管移动：如果将一个干的木材试样即木材含水率低于纤维饱和点的试样一端顺纹竖直浸入水中，为观察水分在顺纹方向的移动情况，从这个试样截去一纵列输

48、导水分细胞（管胞或导管）。当第一个细胞和水分相接触时，在它的开放细胞腔形成弯月面（图17.I.1），结果在毛细管力作用下该细胞腔很快就被水分充满。然而当水分刚刚到达细胞之间的连接处（纹孔膜或穿孔板）并充满其中微毛细管（图17.I.2），水分或液体移动暂时中止，尽管这种微毛细管的毛细管力远大于细胞腔毛细管力，因为水分仅仅在毛细管力作用下不可能从上面开放的毛细管自行溢出来。毛细管力很容易使水分沿着部分充满水分的纹孔膜上微毛细管移动（图17.II.1），但刚刚一填满该微毛细管，毛细管力就随弯月面曲率半径变大而减小，当弯月面曲率达到其毛细管力与其下的液柱重力相平衡时，水分移动即停止。当毛细管平放时，曲

49、率为零的弯月面将达到平衡（液柱重力在移动方向上为零）。图17 水在木材细胞中移动（自成俊卿，1985）为使水分在第二个细胞腔大毛细管中继续移动，必须在其中形成弯月面，而此弯月面的形成只有当围绕细胞腔的木材物质吸附尽可能多的吸着水，并使其内表面被一层连续的吸着水膜所覆盖（图17.I.3）。这样，细胞壁吸附水现象是发生在细胞腔大毛细管吸收水分之前。这个过程的强度最终取决于木材扩散性，因此这个过程进行得很慢。木材横向毛细管吸收水分与此过程类似，只不过该过程进行得更慢，因为横向扩散性比纵向更小。由此可以得出结论，干木材只有对那些能被细胞壁物质吸附的液体方具有毛细渗透性。l 再来看看湿木材中水分毛细管移

50、动：当木材细胞腔全部或几乎全部被自由水充满时，将木材试样一端浸入水中，如前所述，水分不可能从开放的毛细管的一端自行溢出，仅仅随着从毛细管开放的一端蒸发而向木材中移动。在剥去树皮的树干试样中，水分还将随着从开放的侧面蒸发而向木材中移动。因为水分向空气中蒸发强度不大，所以这样的浸注方法实际意义不大。在自由水没有多到能形成连续的充满水分的毛细管系统时，水分移动将受到被挤压在其内的空气（气塞）影响。在这种情况下水分从开放的表面蒸发强度大大高于毛细管吸收。因此尽管它的一端浸在水中，沿长度方向与开放的端面相邻的试样大部分长度上发生干燥。同样，这样的浸注方法对这样不太湿的木材也没有多大实际意义。3.1.2

51、立体浸注当把木材试样一端浸入水中，空气沿着充满水分的细胞腔从另一端往外溢出。而把一个试样整体浸入水中时，水分以毛细张力从各个方向填满被切开的细胞腔，水分向木材中移动在各个方向上同时发生，空气将在木材内部受挤压。随着水分逐步填满外层细胞腔，木材内的空气压力将越来越高。当木材内部空气压力高到与毛细管力相平衡时，水分只有随着空气溶于水中并沿着毛细管向周围空气扩散才有可能继续往木材中移动。然而细胞壁吸着水分不取决于此，干木材浸入水中，在不太长的时间内水分从各个方向将木材润湿到纤维饱和点，这个润湿时间的长短取决于木材扩散性。而自由水浸入到木材深处的过程取决于溶于水中的空气的扩散，进行得很慢，其时间可能长

52、到一年。3.2 外压力浸注原理外压力浸注与内压力浸注相反，不是利用毛细管力来实现木材液体浸注，而是利用外压力来克服木材毛细管力使浸注液浸入木材内部。外压力在浸注工业上常用的一般有三种，一是端部浸注，二是冷热糟浸注，三是压力罐中浸注即高压浸注。在讲这三种浸注法之前要先讲解毛细管力对压力浸注的影响原理，也就是说要讲一讲为何要克服毛细管力来达到浸注的目的。3.2.1 毛细管力对压力浸注的影响用压力帽落差式浸注法对生材原木浸注水溶性防腐剂，在施加初始压力后从原木大头端部取下压力帽并截下一薄片木材，以除去在液柱起始部位的空气后，再立即将压力帽还原套上进行浸注，结果浸注量增加400倍。这是由于在压力帽中防

53、腐剂与树液之间的气泡（气塞）被除去的结果。关于这种现象的机理可参阅图18。在液体浸注处理过程中，在液体里或木材细胞腔中总是有空气泡存在的，将这些空图18 空气泡通过纹孔膜微孔（自Siau, 1995）气泡全部去掉实际上是不可能的。要强制这些空气泡通过纹孔膜微孔，必须施加压力。尽管水在纹孔膜微孔里的接触角近似零，此时球状空气泡的前表面在压力下必将变形而成一个半球形，半球形弯月面的气水界面曲率半径等于所在的纹孔膜微孔半径，半球形弯月面产生毛细管力。为使空气泡通过纹孔膜微孔，所施加的压力必须大到足以克服所要通过纹孔膜微孔上的半球形弯月面的毛细管力。为测得所需要施加的压力降或外力，将此球形弯月面气水界

54、面曲率半径（等于纹孔膜微孔半径）代入公式（9）即可求出。由公式（9）得知，气水界面曲率半径（或微孔半径）愈小，迫使此气泡通过纹孔膜微孔所需加的外力则愈要大。如果浸注液是水溶性的，其在木材中的接触角近于零，其表面张力与水近似为0.073N/m，则所需加的外力即可从公式（9）求得或从图19查得。P0P1，Pa ×105图19 气水界面通过毛细管所需的压力降（P0P1）（自Siau, 1995）3.2.2 端部浸注如果木材一端与浸注液相连并施以一外力，那么在一定条件下，液体可能进入整个木材内。此时所需的外压力取决于树种、木材构造和在很大程度上取决于含水率。湿木材易端部浸注，因为在其中有充满

55、水分的连续毛细管系统。单位时间内流过一根半径为r的毛细管的液体流量可按Poiseuille方程求得 (12)式中：Q流量，m3/sr毛细管半径，m液体黏度，PasL毛细管长度，m毛细管两端压力差,Pat时间，S对于一端开放的毛细管，所需的压力差不能为等于向该毛细管所施加的压力P与大气压力P0之差（PP0），因为所加的压力差小于该毛细管开放的一端的毛细管管力（Pc），液体移动就不可能。对于该毛细管的压力差应为=P(P0+Pc) （13）对于充满水分的连续毛细管的木材来说，毛细管力阻力由木材被切断的一端管胞腔或导管腔中液体弯月面所形成。纹孔膜微孔毛细管两侧都与水分相接触，不存在弯月面，毛细管力处在

56、一种平衡状态；细胞腔直径比较大，其弯月面形成的毛细阻力比较小，对于液体在其中移动只需不大的外压力如0.10.2×105Pa即可，在这样的外力作用下，浸注液就可以从毛细管的一端向另一端移动，树液就被挤向另一端排出。对于干木材或其含有自由水的量不足以形成一个充满水分的连续毛细管系统的木材来说，则情况就完全不同，当液体经过纹孔膜微孔时，因为微孔膜微孔比较小，其上弯月面所形成的毛细阻力可能达到几十个大气压（105Pa），因此在这种情况下，端部浸注就很困难。对于针叶树显心材树种或隐心材树种来说，只有边材可以进行端部浸注，因为含有足够多的自由水。阔叶树种木材端部浸注要快于针叶树材。对1m长的一根木段，在一个大气压力（105Pa）作用下，在1cm2断面上，通过阔叶材的液体量为50100g，而通过针叶材只有540g。3.2.3冷热槽浸注冷热槽浸注与端部浸注不同，是将整个木材浸入到盛有浸注液的木槽中，浸注液同时从木材的各个方面浸入木材。如果木材放入一个放有液体的槽中，那么