木材或木材包裝制品與塑料、金屬、玻璃等包裝物的最大差別是它對(duì)水的敏感,濕度是影響木材制品最普遍的因素。木材自空氣中吸收水分的能力稱為木材的吸濕性。它隨環(huán)境的溫度、空氣的相對(duì)濕度而改變。當(dāng)環(huán)境溫度越低或濕度越大時(shí),木材吸水能力也越強(qiáng)。如環(huán)境溫度升高或空氣的相對(duì)濕度降低時(shí),則木材能向空氣中散發(fā)水分,這種性質(zhì)稱為木材的放濕性。木材的吸濕和放濕過程是木材內(nèi)部水分與空氣中水分的平衡過程。當(dāng)木材所含水分與周圍空氣的相對(duì)濕度達(dá)到平衡時(shí),木材既不吸收水,也不散失水分。木材包裝材料中與水分含量相關(guān)的概念如下。
1.相對(duì)含水率和絕對(duì)含水率
相對(duì)含水率是指木材中的含水質(zhì)量與當(dāng)時(shí)濕木質(zhì)量的百分比。
絕對(duì)含水率是指木材中的含水質(zhì)量與木材絕對(duì)干燥后質(zhì)量的百分比。木材的絕對(duì)干燥質(zhì)量是將木材置于溫度為100℃~105℃的環(huán)境中,烘干至恒重時(shí)的質(zhì)量。
相對(duì)含水率和絕對(duì)含水率是衡量木材濕度的一般指標(biāo)。通常前者多用于實(shí)際工作中,后者用于木材技術(shù)指標(biāo)的研究、檢驗(yàn)和測(cè)試。
木材含水率是影響木材性能最主要的因素。為了準(zhǔn)確地比較木材各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),規(guī)定以含水率為15%的木材技術(shù)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn),稱為標(biāo)準(zhǔn)含水率。一般新伐和水運(yùn)、水儲(chǔ)的木材,含水率常在35%以上;空氣風(fēng)干的木材含水率多為15%~20%;室內(nèi)干燥的木材含水率常為8%~15%。
2.飽和含水率
木材在干燥過程中,內(nèi)部水分逐漸向外輸送。當(dāng)全部自由水散失,細(xì)胞壁中仍充滿著吸附水時(shí),為木材含水量的臨界點(diǎn),一般稱為纖維飽和點(diǎn)。這時(shí)木材的相對(duì)含水率稱為飽和含水率。
纖維飽和點(diǎn)對(duì)木材的許多性能都有重要作用。當(dāng)木材含水量小于飽和含水率時(shí),其體積隨含水量大小而增減,強(qiáng)度則隨水分增加而降低;當(dāng)含水量大于飽和含水率,水分增減并不影響木材的體積和強(qiáng)度。因此木材在纖維飽和點(diǎn)時(shí),其機(jī)械強(qiáng)度最低。
木材的飽和含水率隨樹種而略有差異。當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時(shí),一般介于25%~35%,并隨溫度上升而降低,通常采用30%為其平均值。
3.平衡含水率
由于木材具有吸濕性和放濕性,在周圍空氣的蒸氣壓與木材表面的蒸氣壓相等的條件下,木材中水分達(dá)到吸收和散發(fā)的動(dòng)態(tài)平衡時(shí),這時(shí)的含水率稱為平衡含水率。
使用中的木材平衡含水率都低于其纖維飽和點(diǎn)。由于木材具有吸濕性和放濕性,使木質(zhì)制品的體積、強(qiáng)度隨著周圍空氣的溫度、濕度變化而變化,影響了制品的使用性能,甚至將制品破壞。因此,必須將木材進(jìn)行干燥,達(dá)到使用環(huán)境的長年平均平衡含水率后,才能加工以減少環(huán)境空氣的影響。
此外,還必須將木材的吸濕性降至最小。降低木材吸濕性的主要措施是在木材構(gòu)件的外層涂以油漆等防水保護(hù)層,并須在一定時(shí)期內(nèi)重新油漆,從而防止木材的吸濕作用。而絕大多數(shù)包裝用木材難以用此法或無須此法。
4.木材的變形
水分在木材中的移動(dòng)速度在不同方向上是不一致的,順纖維方向最快,徑向次之,弦向最慢。此外,還隨著木材的致密度減小而增高。從木材構(gòu)造上看,邊材中的水分常比心材中的移動(dòng)得快。木材在干燥過程中,各部分的干燥速度不同,而且木材細(xì)胞的體積又隨著含水量的增減而脹縮,使木材各部分體積的變動(dòng)很不一致,極易引起木材的變形,甚至由于應(yīng)力的增長而開裂。
(1)干縮與濕脹。當(dāng)木材的含水率低于纖維飽和點(diǎn)時(shí),如水分(指吸附水)再有增減時(shí),則細(xì)胞壁隨之發(fā)生脹縮,從而引起木材體積的脹縮。一般厚壁細(xì)胞比薄壁細(xì)胞脹縮量大,堅(jiān)密而重的細(xì)胞比松軟而輕的細(xì)胞脹縮量大,細(xì)胞的橫向比縱向脹縮量大。木材的夏材比春材脹縮量大,橫紋方向比縱紋方向脹縮量大,弦向比徑向脹縮量大。一般木材弦向的脹縮量介于6%~12%,徑向的脹縮量介于3%~6%,縱向脹縮量很小,僅為0.1%。
木制品在使用中散失所含的水分,以致引起制品的不均勻收縮,使制品產(chǎn)生缺陷,所以用木材的干縮率來衡量其脹縮量。
一般情況下,木材的干縮或濕脹是不均勻的,尤其是厚大的木材更為顯著。例如,含水率大于飽和含水率的厚大木材,在干燥過程中,木材表面干燥得快。當(dāng)平均含水率還遠(yuǎn)高于飽和含水率時(shí),表面含水率往往已低于飽和含水率,木材表面開始收縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,處理不當(dāng)就會(huì)發(fā)生開裂。即使在干燥處理結(jié)束時(shí),總的干縮率仍低于薄小的木材。含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí),木材吸水后體積膨脹。開始時(shí)膨脹速度較快,隨后逐漸減慢,接近纖維飽和點(diǎn)時(shí)最慢。木材吸水后在各方向上的濕脹程度不與干縮一致,一般弦向?yàn)?%~13%,徑向?yàn)?%~5%,順紋方向?yàn)?.1%~0.8%,木材組分中因含有較多的戊糖,吸水后其膨脹能力較大,所以木材在蒸煮以后濕脹性可減小。
木材的干縮和濕脹過程恰恰相反,在理論上它們的脹縮變動(dòng)量應(yīng)該相同。但是,木材制品是在空氣中使用的,在干縮過程中會(huì)產(chǎn)生物理、化學(xué)和力學(xué)的變化,使木材細(xì)胞變形。濕脹時(shí)雖然吸收了原來失去的水分,但也常常不能恢復(fù)到原來的尺寸。
為了使木制品在使用中不發(fā)生或盡可能減少、減小脹縮變化,須在加工前將木材干燥達(dá)到使用時(shí)環(huán)境的平均相對(duì)濕度狀態(tài)。在濕度變化大的地區(qū)也可合理地使用寬度小的徑向板材、紋理互相垂直的膠合板或適當(dāng)采用容重輕、脹縮性小的木材。
(2)變形與翹曲。由于木材在干燥過程中,各部分干燥速度不同,各方向的干縮率也不相同,因此木材在干燥過程中極易變形。當(dāng)變形嚴(yán)重時(shí),木材即產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而發(fā)生翹曲,甚至開裂。
木材的變形和翹曲受它原來的形狀、厚薄、寬窄、年輪、紋理、部位、容重、樹種及干燥速度的影響。通常木材的變形均向髓心和濕面方向突出,并向垂直木紋的方向翹曲,以致木制品的接合處松弛或凸起,甚至發(fā)生裂紋和開裂。
(3)開裂。當(dāng)木材干燥不均勻時(shí),在木材內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,一旦超過木材橫紋拉伸強(qiáng)度時(shí),則引起木材的開裂。即使木材或較厚鋸材的強(qiáng)度還能抵抗其內(nèi)力,暫時(shí)雖不致開裂,但在加工以后,由于其內(nèi)應(yīng)力的存在和產(chǎn)生的表面塑性變形,仍會(huì)引起鋸材變形、翹曲或開裂。
為了避免收縮產(chǎn)生的開裂,必須在干燥木材時(shí)采用適當(dāng)?shù)拇胧?,使木材均勻地干燥。在選用木材做木制品時(shí),應(yīng)盡可能采用膠合木、膠合板等代替木材,或采用容重輕、收縮性小的木材。
(4)容重。一般樹種的木材相對(duì)密度變動(dòng)不大,介于1.3~1.7之間,通常采用平均值1.5。干燥木材的容重平均為500kg/m3,所以木材孔隙率是很大的。
木材的容重隨樹種、樹齡、生長條件、部位、孔隙率、含水率而改變,通常小于1000kg/m3。影響木材容重最主要的因素是含水率,通常以含水率為15%時(shí)的容重作標(biāo)準(zhǔn),稱為標(biāo)準(zhǔn)容重。
木材容重可以作為計(jì)算木材自重和運(yùn)輸重量的依據(jù)。容重的大小也可反映木材性質(zhì)的變化,如果木材容重大,則強(qiáng)度大,漲縮也大。如果木材容重減輕,反映木材已經(jīng)開始腐朽,容重減輕得越多,腐朽程度越重。
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