節(jié)子對桉木吸水及解吸特性的影響

符羽棟， 楊 琳

(南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，江蘇 南京 210037)

桉樹生長迅速、用途廣范，是我國重要的人工速生樹種[1]。加工獲得的桉木美觀[2]、柔韌、密度高，是生產(chǎn)板式家具的理想材料，具有很高的短期經(jīng)濟效益[3-4]。

桉木在成材過程中會產(chǎn)生一些自然缺陷，節(jié)子是木材中最為常見的缺陷之一，它是包含在樹干或主枝木材中產(chǎn)生枝條的部分[5]，按木節(jié)與周邊木材的連接與否可分為活節(jié)和死節(jié)。死節(jié)與周圍木材呈脫離狀態(tài)，對木材的影響較大。死節(jié)木材表現(xiàn)出雙倍的初始硬度，導致切削阻力大，影響加工，一般避免使用[6]。優(yōu)良的木材無節(jié)、少節(jié)或多為內在活節(jié)，在符合質量標準的前提下，依然具有使用價值。

本研究以活節(jié)為例，從木材質量、體積、含水率、水分遷移等方面研究節(jié)子對桉木吸水與解吸特性的影響，對比缺陷木材與正常木材的各組數(shù)據(jù)，明確兩者性質差異，為加工與處理節(jié)子缺陷木材提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)速生林木材，產(chǎn)自廣西柳州。木材采伐后，使用塑料薄膜包裝，置于冰柜低溫貯存。木材的初始含水率約為148%，生材密度為0.972 g/cm3。將其鋸截成連續(xù)的10塊試件，并從1到10進行編號，每個試件規(guī)格為20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)，其中編號6為存在節(jié)子缺陷的木塊。

1.2 試驗設備

鼓風干燥箱(DHG-905386-Ⅲ，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)；電子天平(FA2004，精度0.001 g，上海精密儀器有限公司)；數(shù)顯游標卡尺(精度0.01 mm，日本三豐)；燒杯。

1.3 試驗方法

1.3.1 吸水過程桉木的含水率及密度測定

首先對試樣的尺寸與質量進行測量，隨后放入盛有蒸餾水的燒杯中，用不銹金屬網(wǎng)將試樣壓入水面以下50 mm，蓋好容器，水溫保持在(20±2)℃的范圍內，燒杯中的蒸餾水每隔5晝夜進行更換，保持蒸餾水的清潔。樣品放入6 h進行第一次測量，隨后間隔一定時間進行測量。每次測量時，試樣從燒杯中取出后，用吸水紙吸去表面水分后進行測量。至最后兩次的重量之差小于5%，達到最大含水率，記錄最終的含水率。最后對所有的數(shù)據(jù)進行計算與分析，對比缺陷試樣與正常試樣在吸水過程中的密度、質量、體積、含水率等變化。

1.3.2 解吸過程桉木的含水率及密度測定

先記錄下試件的初始質量與尺寸，然后將所有試件放置在溫度為25 ℃、平均濕度為50%的室溫環(huán)境下進行解吸。剛開始每隔4 h測量一次，隨后增大測量的時間間隔，至最后兩次稱量之差不超過試樣質量的0.5%時，即認為解吸完畢。測量最終的尺寸與質量，并計算出含水率與密度，進行對比分析。

1.3.3 桉木絕干尺寸與質量測定

首先測量試件的初始質量與尺寸，然后將試件放入烘箱進行烘干，在(103±2)℃的溫度下烘8 h，每隔2 h對所有試件進行稱量。當最后兩次的重量之差小于等于試樣重量的0.5%時，桉木達到絕干，將試樣從烘箱中取出，放入干燥器內冷卻，測得最終的絕干尺寸與質量。

2 試驗結果與分析

2.1 節(jié)子對桉木含水率的影響

十塊試件按順序截取自同一木條，并依次編號，其中6號為具有木節(jié)的缺陷試樣。10個試件水飽和狀態(tài)與氣干狀態(tài)下含水率的比值如圖1所示，6號試樣ω飽水材/ω氣干材的比值顯著低于其他試件，說明兩種狀態(tài)下含水率的差異較小，水分遷移不活躍。對6號試樣兩種狀態(tài)下的含水率數(shù)值進行對比，發(fā)現(xiàn)差異較大。與正常試件相比，其水飽和狀態(tài)下的含水率偏低，為165.57%，顯著小于其他試樣(均值186.42%，標準差2.74)。解吸完全后，6號試樣的含水率較高，達到了18.90%，在25 ℃、50%RH下的理論平衡含水率為9.2%。9塊正常試樣的實際測量值為10.19%，標準差2.28，與理論值相一致。

圖1 飽水與氣干材試樣含水率比值

6號試樣氣干含水率高，而飽和含水率普遍低于其他9塊正常試樣，說明缺陷木材的含水率較低且吸水性較差。吸濕過程中試樣含水率與時間變化曲線如圖2所示，所有試件的含水率都隨著時間的增加而升高，最終趨于穩(wěn)定。試件剛開始的吸濕速率較快，150 h后趨于平緩。9塊正常試件分布相對集中，多條曲線重合，差異較小，吸水至飽和狀態(tài)后含水率最終穩(wěn)定在185%。在這9塊試件中，位于木條中部的7號、8號試件含水率相對較高，而處于端部的1號試件含水率最低，符合自然木材的水分分布規(guī)律[7]。6號試件的含水率曲線雖然與其他曲線形狀相似，但在數(shù)值上差異較大，含水率遠遠低于正常試件。缺陷木材與正常木材氣干過程中的含水率變化圖如圖3所示，兩者含水率在前5天下降最快，隨后減緩，最后趨于平衡。由圖可以觀察發(fā)現(xiàn)，具有木節(jié)缺陷的試件含水率變化程度較小，初始含水率較低，而平衡時含水率較高。

圖2 吸水過程中試樣含水率與時間變化曲線

圖3 缺陷與正常木材解吸過程中含水率變化曲線

試件質量的變化與含水率變化呈正相關，10個試樣在吸濕的前300 h的質量變化曲線如圖4所示，質量的增加速率由快趨于平緩，其中6號試樣的質量增加總幅較小，從初始第二大變?yōu)榈谖宕?，與其含水率變化相一致，這主要是由于節(jié)子與木材的結構不同，紋理與樹干不一致，周圍的木纖維排列方向交錯，結構緊實，并且節(jié)子中含有大量的抽提物[8]，水分能夠滲透進入的空隙與空間較小，一定程度上阻礙了水分的進入，與正常試件相比降低了質量與含水率的總增幅[9-10]。而處于端部的1號試樣質量增幅最大，由第九變?yōu)榈谄?，主要由于端部試樣的初始含水率較低，具有較強的吸水性。另外，1號試件木材結構正常，具有更多的細胞空隙貯存水分[11-12]。

圖4 吸水過程試樣質量與時間變化曲線

2.2 節(jié)子對桉木密度的影響

氣干與絕干密度對比如圖5所示，在吸水過程中，6號試件的密度與正常試件差異較小，而在解吸過程中，隨著水分的蒸發(fā)，存在節(jié)子的6號試樣密度略大于其他9塊試樣。9塊正常木材的平均氣干密度約為0.46 g/cm3，6號試樣的氣干密度達到了0.5 g/cm3。同樣地，缺陷試樣的絕干密度比正常試樣大0.04 g/cm3。密度與質量及體積存在一定關系，為了使質量與體積的變化更加明顯，選取絕干到水飽和狀態(tài)的變化過程。在質量的變化上，通過數(shù)值的對比可以發(fā)現(xiàn)，位于中部的6號試件的質量明顯低于與其前后相連的5號、7號，而與端部的1號最為相似。但數(shù)值上的差異并不明顯，通過計算得到第6號試件的質量變化率為165.57%，而其他9塊試樣的最小值(1號)為183.17%，由端部向中間逐漸升高，整體集中在186.42%，而位于中部的6號顯著低于平均值。10個試件體積的變化數(shù)值上差異較小，6號木材的體積膨脹率與其他9塊較為相似，平均在12.55%。存在木節(jié)的試樣在氣干與絕干狀態(tài)下的密度顯著高于正常試樣[13-14]，隨著吸濕過程大量水分的進入，兩者之間的密度差異減小。在質量變化上，缺陷試樣的變化率顯著低于其他試樣，而質量與含水率息息相關，說明缺陷木材的吸水性較差[15-17]。缺陷試樣與正常試樣的體積變化較為接近，體積的變化總量較小，難以直接從數(shù)值上發(fā)現(xiàn)差異，仍需進行驗證。另外，雖然節(jié)子作為樹木的一部分，但密度與樹木整體不盡相同。密度的差異一定程度上是由于節(jié)子與自然木材的質地、結構不同，一般來說在同一棵樹上樹枝部位的密度最大，節(jié)子的密度次之，樹干的密度最低。節(jié)子的構造獨特，導管、纖維等組織方向改變造成紋理不規(guī)則，活節(jié)的組織與其周圍的木材組織全部緊密相連，結構密實，質地堅硬，硬度較大[18-20]。節(jié)子結構示意圖如圖6所示。

3 結論

(1)存在節(jié)子缺陷的木材在吸水過程中的各個階段含水率較低，與正常木材相比變化幅度較小，吸水性較差。在解吸階段，初始含水率較低的缺陷木材在解吸完全后，含水率略高于正常木材，也體現(xiàn)出較小的變化幅度。

(2)質量變化主要體現(xiàn)水分的遷移，因此與含水率呈正相關，剛開始變化較快，隨后減緩，最后趨于穩(wěn)定。在吸水階段，與正常木材相比，缺陷木材質量增加的速率較慢，增幅較小。主要是由于木節(jié)處紋理交錯、結構緊實，細胞空隙較小，同時含有抽提物，一定程度阻礙了水分的進入，導致含水率普遍較低且吸水性差。

(3)由于大量水分的進入，節(jié)子缺陷木材的密度在吸水階段與正常木材差異不明顯，而在解吸階段顯著大于正常木材。對自變量質量與體積進行分析發(fā)現(xiàn)，缺陷木材質量變化率小于正常木材，體積膨脹率與正常木材差異不大。密度的差異是由于節(jié)子的質地構造不同，節(jié)子密度略大于樹干密度。節(jié)子使導管、纖維等組織方向改變造成紋理不規(guī)則，各組織緊密相連，硬度較大。