木材及木基材料吸濕尺寸穩(wěn)定性檢測方法研究*

孔繁旭 王艷偉 何嘯宇 黃榮鳳 邵海龍

（1.久盛地板有限公司，湖州 313009；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

木材及以木材為主要原料加工的木基材料，其干縮性、濕脹性與加工質(zhì)量關(guān)系密切[1]。木材經(jīng)干燥、平衡等工序后，內(nèi)部含水率及其分布基本確定。由于木材有吸濕滯后現(xiàn)象，當(dāng)空氣相對濕度在一定范圍內(nèi)變化時，木材的含水率可保持不變。按氣候資料查定的木材平衡含水率值，確定干燥鋸材最終含水率，可滿足一般情況下對木材尺寸穩(wěn)定性的使用要求[2]，但某些使用環(huán)境，對木材尺寸穩(wěn)定性有更高要求[3]；而以木基材料如纖維板、刨花板等為基材的產(chǎn)品檢測標(biāo)準(zhǔn)中也均把尺寸穩(wěn)定性指標(biāo)列為檢測項目[4]。

無論是木材還是木基材料，合理評價、準(zhǔn)確測量其尺寸穩(wěn)定性至關(guān)重要。目前，木材及木基材料尺寸穩(wěn)定性的評價方法很多[5-8]，但基本均采取將材料試樣置于具有一定溫濕度環(huán)境的設(shè)備中，當(dāng)材料水分平衡后，測定試樣尺寸變化率，以尺寸變化率的大小評價其尺寸穩(wěn)定性。由于每種評價方法規(guī)定的環(huán)境溫度、濕度、放置時間和試樣尺寸等不完全相同，因此得到的木材及木質(zhì)材料的性能也不具有可比性[9-11]。

為實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料尺寸穩(wěn)定性橫向比較，規(guī)范木材尺寸穩(wěn)定性的檢測方法，本文依據(jù)木材含水率隨相對濕度變化呈“S”型曲線的吸濕等溫線，木基材料含水率隨相對濕度變化呈直線關(guān)系的規(guī)律表現(xiàn)，借鑒國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z2101—2009《木材的試驗(yàn)方法》中規(guī)定的木材吸濕性測定方法[12]，以溫度20 ℃，相對濕度65%條件下的木材尺寸為基準(zhǔn)，測定木材在溫度40 ℃，相對濕度75%和90%兩種吸濕環(huán)境條件下的尺寸變化，進(jìn)而評價木材的吸濕性能。以柚木、印茄木、樸木等3種木材和多層材料、高密度纖維板、普通刨花板等3種木基材料為研究對象，通過前述方法對木材及木基材料的質(zhì)量變化率、平衡時間、含水率變化、尺寸變化率、濕脹系數(shù)等進(jìn)行測算，對方法設(shè)定參數(shù)的適用性和可行性進(jìn)行評價。

1 材料與方法

1.1 材料

木材：柚木（Tectona grandisLinn.f.），產(chǎn)自緬甸；番龍眼印茄木（Intsiasp.），產(chǎn)自東南亞；樸木（Celtis occidentalis Magnifica），產(chǎn)自美國。3種木材各有2種尺寸，分別為20 mm（軸向）×20 mm（弦向）×20 mm（徑向）、200 mm（長）×60 mm（寬）×（15～30 mm）（厚），每種尺寸試樣數(shù)量各6件。

木基材料：多層材料，久盛地板有限公司產(chǎn)品，尺寸為300 mm（長）×50 mm（寬）×12 mm（厚），試樣數(shù)量9件。高密度纖維板，尺寸為300 mm（長）×50 mm（寬）×10 mm（厚），試樣數(shù)量4件；普通刨花板，尺寸為300 mm（長）×50 mm（寬）×20 mm（厚），試樣數(shù)量4件，兩種板材為隨機(jī)抽取的送檢至國家人造板與木竹制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的合格樣品。

木材及木基材料試樣初始含水率介于6%～10%，無開裂、腐朽、變色等可見缺陷。

1.2 儀器設(shè)備

游標(biāo)卡尺，精度0.01 mm，溫州三和量具儀器有限公司生產(chǎn)；電子天平，精度0.001 g，常熟市雙杰測試儀器廠生產(chǎn)；電熱鼓風(fēng)干燥箱，精度±0.5℃，上海錦屏儀器儀表有限公司生產(chǎn)；恒溫恒濕箱，溫度允許偏差±0.5℃，濕度允許偏差±1%，南京泰斯特試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 操作步驟

1）將待檢測試樣放置于溫度（20±1）℃、相對濕度（65±1）%的恒溫恒濕箱中，每隔24 h稱量試樣質(zhì)量。待試樣質(zhì)量變化率≤0.1%，即認(rèn)為試樣達(dá)到吸濕平衡狀態(tài)。記錄試樣質(zhì)量（m0）、木材弦向尺寸（t0）、徑向尺寸（r0）、木基材料寬度方向尺寸（w0）、厚度方向尺寸（h0）；

2）設(shè)定恒溫恒濕箱環(huán)境溫度（40±1）℃、相對濕度（75±1）%，待試樣吸濕平衡后，記錄穩(wěn)定所需時間（T1）、試樣質(zhì)量（m1）、木材弦向尺寸（t1）、徑向尺寸（r1）、木基材料寬度方向尺寸（w1）、厚度方向尺寸（h1）；

3）設(shè)定恒溫恒濕箱環(huán)境溫度（40±1）℃、相對濕度（90±1）%，待試樣吸濕平衡后，記錄穩(wěn)定所需時間（T2）、試樣質(zhì)量（m2）、木材弦向尺寸（t2）、徑向尺寸（r2）、木基材料寬度方向尺寸（w2）、厚度方向尺寸（h2）。

1.3.2 檢測指標(biāo)

1）質(zhì)量變化率（%）：試樣在吸濕過程中間隔24 h稱得的前后質(zhì)量差占前次質(zhì)量的比重。

2）平衡時間（d）：試驗(yàn)過程中試樣在不同吸濕條件穩(wěn)定所需時間T1、T2。

3）含水率變化（%）：吸濕試驗(yàn)完成后，將所有試樣放置在溫度為（103±2）℃的烘箱中烘8 h左右，然后每隔2 h稱重并記錄一次，直到兩次稱重的質(zhì)量之差不超過試樣重量的0.5%時，即認(rèn)為試樣達(dá)到全干，這時稱得的質(zhì)量就是試樣的絕干質(zhì)量。通過試樣吸濕過程中的質(zhì)量與其絕干質(zhì)量計算即得到含水率變化。

4）尺寸變化率（%）：木材試樣在溫度（40±1）℃、相對濕度（75±1）%下吸濕穩(wěn)定后的徑向尺寸變化率按公式（1）進(jìn)行計算，不同吸濕條件木材弦向尺寸變化率及木基材料寬度或厚度方向尺寸變化率計算過程同理。

式中：r1——木材試樣在溫度（40±1）℃、相對濕度（75±1）%下吸濕穩(wěn)定后的徑向尺寸，mm；

r0——木材試樣在溫度（20±1）℃、相對濕度（65±1）%下平衡后的徑向尺寸，mm。

5）濕脹系數(shù)（%）：反映的是試樣含水率每增加1%時其尺寸變化率的改變。如試樣經(jīng)溫度20 ℃、相對濕度65%平衡后吸濕至材料在溫度40 ℃、相對濕度75%下的平衡含水率過程，濕脹系數(shù)為該過程的尺寸變化率的改變量與平衡含水率改變量之比。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸濕條件下木質(zhì)材料質(zhì)量變化率及平衡時間

圖1所示為木材及木基材料不同尺寸試樣質(zhì)量變化率。由圖可見，木質(zhì)材料試樣在溫度40℃、相對濕度75%或90%吸濕環(huán)境下，分別經(jīng)歷快速吸濕、緩慢吸濕、吸濕平衡的3個吸濕階段。在吸濕的快速階段，試樣質(zhì)量改變迅速，質(zhì)量變化率在24 h左右即達(dá)到峰值，之后質(zhì)量變化率逐漸減??；在緩慢吸濕階段，試樣質(zhì)量變化率繼續(xù)降低，直至低于0.1%；隨后，試樣進(jìn)入吸濕平衡階段。

對比不同尺寸木材試樣的質(zhì)量變化率。相同吸濕時間下，木材大試樣質(zhì)量變化率較木材小試樣略低，推測原因是大尺寸試樣表層吸著環(huán)境水分?jǐn)U散至心層距離遠(yuǎn)，水分不能及時遷移至心部。對比不同材料試樣質(zhì)量變化率的變化過程，在不同時刻大都表現(xiàn)為，印茄木＜柚木＜樸木，高密度纖維板＜多層材料＜普通刨花板，與材料經(jīng)驗(yàn)上的吸濕特性基本一致。雖然不同材料質(zhì)量變化率存在一定差異，但材料達(dá)到吸濕平衡時間都分布在3～10 d內(nèi)。木基材料相對木材延長1～2 d。說明以溫度40 ℃，相對濕度75%和90%的兩種環(huán)境作為吸濕條件分別檢測木材和木基材料的吸濕性能，從檢測時間上較為合適。李賢軍等將吸濕平衡的時間設(shè)定為30 d，檢測時間略長[13]?？紤]進(jìn)一步縮短檢測時間，以質(zhì)量變化率快速增加、之后顯著降低的吸濕48 h作為檢測時間，即吸濕時間為48 h或者達(dá)到吸濕平衡狀態(tài)，作為本研究方法檢測的時間和狀態(tài)。兩種檢測時間設(shè)定可兼顧時間檢測的及時性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 木材及木基材料質(zhì)量變化率Fig.1 Quality change rates of wood and wood-based materials

2.2 吸濕條件下木質(zhì)材料含水率變化

圖2 木材及木基材料吸濕過程含水率變化Fig.2 Moisture content changes of wood and wood-based materials during moisture absorption

圖3 木材及木基材料吸濕平衡含水率Fig.3 Moisture-absorbing equilibrium moisture content of wood and wood-based materials

圖2為木材及木基材料試樣在溫度40 ℃、相對濕度75%或90%吸濕環(huán)境下含水率的變化。如圖所示，由于受木材材性、干燥條件及木基材料特性等影響，在相同溫濕度環(huán)境條件下，不同材料吸濕平衡含水率大小存在差異，但是所有木質(zhì)材料不超過12 d（木基材料經(jīng)溫度40 ℃、相對濕度75%平衡后吸濕至其在溫度40 ℃、相對濕度90%下的平衡含水率過程）即達(dá)到吸濕平衡狀態(tài)。木質(zhì)材料吸濕平衡含水率大小關(guān)系如圖3所示，可見采用本研究提出的檢測方法，木材及木基材料的吸濕平衡含水率能進(jìn)行橫向比較。由圖可見，普通刨花板和多層材料在溫度40 ℃、相對濕度90%下吸濕平衡含水率比3種不同尺寸的木材都大，吸濕能力更強(qiáng)。

2.3 吸濕條件下木質(zhì)材料尺寸變化率及濕脹系數(shù)

圖4為木材及木基材料在溫度40℃、相對濕度75%和90%兩種條件下吸濕穩(wěn)定后的弦向（或?qū)挾确较颍┖蛷较颍ɑ蚝穸确较颍┑某叽缱兓?。由圖可知，木材在相對濕度90%下平衡后，大、小試樣尺寸變化率為柚木＜印茄木＜樸木。在相對濕度75%下平衡后，樸木受其自身材性變異性大的影響，弦向尺寸變化率有小于柚木或印茄木的情況，但其均值仍低于后兩者；另外，發(fā)現(xiàn)木基材料厚度方向的尺寸變化率都遠(yuǎn)高于木材?？梢姡M坯工藝弱化木材實(shí)質(zhì)各向異性的影響，使木基材料內(nèi)部應(yīng)力小、寬度方向尺寸變化率極低（試驗(yàn)中都小于0.25%），是木基材料使用過程中穩(wěn)定性優(yōu)于木材的主要原因[14-16]。

圖4 木材及木基材料尺寸變化率Fig.4 Dimensional change rates of wood and wood-based materials

對比不同尺寸的木材試樣尺寸變化率可知，在相對濕度75%下，同一樹種大試樣的尺寸變化率大多高于小試樣，而在相對濕度90%下大小試樣尺寸變化率大小規(guī)律并不明顯。究其原因，大試樣干燥后內(nèi)部應(yīng)力往往大于小試樣，吸濕可能減小或增大其內(nèi)部含水率梯度，進(jìn)而緩解或發(fā)展干燥應(yīng)力，致使其尺寸變化規(guī)律存在不確定性。但大尺寸所測材料尺寸穩(wěn)定性與材料實(shí)際使用情況更相符，如GB/T 35913—2018《地采暖用實(shí)木地板技術(shù)要求》將200 mm（長）×60 mm（寬）作為試樣耐熱尺寸穩(wěn)定性、耐濕尺寸穩(wěn)定性的尺寸測量標(biāo)準(zhǔn)[9]；相比而言小試樣可在一定程度上減弱干燥應(yīng)力對其濕脹性影響。

綜合來看，兩種環(huán)境條件下大試樣不同材料尺寸變化率的大小關(guān)系與小試樣的基本一致。本方法設(shè)定的兩種吸濕條件下，通過材料尺寸變化率反映其吸濕性能可行。

然而，木質(zhì)材料尺寸變化率不能反映其吸濕過程中內(nèi)部水分變化對其尺寸變化率的影響。有關(guān)研究指出，除了絕干狀態(tài)和纖維飽和點(diǎn)附近，大部分含水率區(qū)域內(nèi)干縮濕脹量與木材含水率之間近似呈線性關(guān)系，即dX/ dM=k（M為含水率，%；X為尺寸變化率，%；當(dāng)木材含水率遠(yuǎn)離絕干含水率和纖維飽和點(diǎn)，k即濕脹系數(shù)，為恒定值）[18-19]。但試驗(yàn)結(jié)果表明，在所測木材含水率都遠(yuǎn)離絕干含水率和纖維飽和點(diǎn)情況下，木材的尺寸變化率與含水率并非均呈近似線性關(guān)系，即假設(shè)不同材料在相同環(huán)境中吸著等量水分，水分對其尺寸變化率的貢獻(xiàn)卻并不一致。

圖5 3種木材的尺寸變化率及其隨含水率的變化Fig.5 Dimensional change rates of three kinds of wood and its change with moisture content

圖6 3種木基材料尺寸變化率隨含水率的變化Fig.6 Dimensional change rates of three kinds of woodbased materials and its change with moisture content

圖5、6為3種木材及3種木基材料不同尺寸試樣在不同吸濕階段平衡含水率與尺寸變化率的對應(yīng)關(guān)系。表1為6種材料在不同吸濕階段、不同紋理方向的濕脹系數(shù)（dX/ dM）。

濕脹系數(shù)是反應(yīng)木質(zhì)材料吸濕特性的重要參數(shù)，對比木材在兩個吸濕階段的濕脹系數(shù)值，試樣含水率階段Ⅰ的平均濕脹系數(shù)明顯小于含水率階段Ⅱ的有：柚木（小試樣、弦向），樸木（小試樣、弦徑向）；試樣含水率階段Ⅰ的平均濕脹系數(shù)明顯大于含水率階段Ⅱ的有：柚木（大試樣、弦徑向），印茄木（大小試樣、弦徑向），樸木（大試樣、徑向）。上述大小關(guān)系推測原因?yàn)?，木材?nèi)部水分不同吸著區(qū)域?qū)ζ涑叽缱兓绊懘嬖谝欢ú町?，?dāng)木材在溫度40 ℃、相對濕度75%下吸濕穩(wěn)定后，木材內(nèi)部對尺寸影響較大的水分吸著區(qū)域已被不同程度地填充。因此，木材在溫度40 ℃、相對濕度90%下吸著單位水分導(dǎo)致尺寸變化率的變化與相對濕度75%下相比有高有低；木基材料則在不同含水率階段的濕脹系數(shù)差異較小，且厚度方向濕脹系數(shù)遠(yuǎn)高于寬度方向。

表1 木材及木基材料在不同吸濕階段的濕脹系數(shù)Tab.1 Wet expansion coefficient of wood and wood-based materials at different moisture absorption stages

對比材料不同紋理方向的濕脹系數(shù)，當(dāng)其由溫度20 ℃、相對濕度65%下平衡含水率增加到溫度40 ℃、相對濕度90%的平衡含水率，測算的不同尺寸試樣的弦向濕脹系數(shù)均大于徑向濕脹系數(shù)，這與實(shí)際情況相符[20]；對比不同樹種的濕脹系數(shù)，印茄木和柚木較小，吸濕特性相近。樸木濕脹系數(shù)較大，易彎易翹，使用性能不如前兩者[21]。

綜上，在采用濕脹系數(shù)評價材料尺寸穩(wěn)定性時，建議采用將待檢測試樣放置在溫度20 ℃、相對濕度65%下平衡后，設(shè)定溫度40 ℃、相對濕度75%和90%兩種條件分別進(jìn)行濕脹系數(shù)檢測。

3 結(jié)論

以溫度20 ℃、相對濕度65%條件下木質(zhì)材料的尺寸為基準(zhǔn)，溫度40 ℃、相對濕度75%或90%的兩種吸濕環(huán)境作為其吸濕平衡條件，以柚木、印茄木、樸木等3種木材和多層材料、高密度纖維板、普通刨花板等3種木基材料為測定對象，通過質(zhì)量變化率、平衡時間、吸濕平衡含水率、尺寸變化率和濕脹系數(shù)等指標(biāo)對該檢測方法進(jìn)行評價，結(jié)論如下：

1）木材與木基材料的質(zhì)量變化率表現(xiàn)為24 h左右達(dá)到極值，之后顯著降低的趨勢。以相隔24 h的兩次稱量所得的試樣質(zhì)量之差不超過試樣質(zhì)量的0.1%作為吸濕過程質(zhì)量恒定的判定依據(jù)，材料不超過12 d即可達(dá)到吸濕平衡。建議采用試樣吸濕時間為48 h或者達(dá)到吸濕平衡狀態(tài)，作為本方法檢測的時間和狀態(tài)。

2）木材大小試樣尺寸變化率的均值均呈柚木＜印茄木＜樸木的大小關(guān)系，并且其弦向尺寸變化率明顯大于徑向，這些規(guī)律與木材樹種、紋理方向的經(jīng)驗(yàn)尺寸穩(wěn)定性大小相符；對木基材料尺寸變化率測定發(fā)現(xiàn)，試樣厚度方向尺寸變化率遠(yuǎn)超寬度方向。

3）木材在不同的吸濕階段下，其濕脹系數(shù)大小存在一定差異，但弦向濕脹系數(shù)明顯大于徑向；木基材料厚度方向濕脹系數(shù)遠(yuǎn)高于寬度方向。建議采用溫度20 ℃、相對濕度65%平衡后，設(shè)定溫度為40 ℃、相對濕度為75%和90%兩種條件分別檢測木質(zhì)材料濕脹系數(shù)，綜合兩者進(jìn)行評價。

4）本文提出的木材及木基材料吸濕尺寸穩(wěn)定性檢測條件的參數(shù)設(shè)定，對木材與木基材料試樣均適用，且其尺寸大小不影響測試結(jié)果。