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木材的渗透性研究
摘要:本文在综合分析大量文献的基础上, 详细介绍了国内外木材渗透性研究领域中的主要理论和常用的木材结构模型, 简述了学者们在木材渗透性研究取得的主要成果, 并提出一些今后研究的方向和趋势。
关键词:木材渗透性,理论,模型,影响因子,趋势
Review of Research on Wood Permeability
Abstract: Based on an overall analysis of the worldwide research on wood permeability, this paper summarized the primary theories and models for studying wood permeability. The achievements in this area of study made by the researchers were also reviewed.
Key words: Wood permeability,theory,model,Influence factors,trend
前言
木材渗透性是描述气体或液体(统称“流体”)在木材中渗透难易程度的物理量,是木材的一个重要性质指标[1]。流体在木材中的渗透主要有两个途径,其一是纹孔系统,其二是细胞壁毛细管系统。木材渗透性研究主要包括:探索木材流体渗透性的特点及其渗透机制,及寻求控制木材流体渗透性的方法,以便更好地为木材资源的充分利用、木材加工处理技术的进一步发展提供重要的理论依据。
在木材非机械加工处理过程中,无论将流体注入木材如防腐、阻燃、浸提、改性、油漆和染色处理,或将流体自木材内排出如木材干燥和真空处理,都与木材流体渗透性密切相关。因此,深入研究木材的渗透性理论和改善难浸注木材渗透性的各种处理方法及其影响机理,一直被视为当今国际上木材流体关系研究领域的前沿课题。本综述的目的是,综合分析国内外相关文献,从研究现状、影响因素及改善措施等方面入手,试图最清晰完整地呈现有关木材渗透性理论的研究成果,为今后的研究与应用提出建议。
木材渗透的基本理论
木材是一种天然生长的多毛细孔材料,具有各种称之为毛细管的天然通道,某些流体在特定条件下可以流动于其中。木材内流体的迁移可分为两大类。第一类是质量流即流体在压力梯度或毛细压力梯度作用下,沿木材结构中空隙网络的移动。流体在木材内质量流的强弱取决于木材的渗透性。第二类是扩散,扩散有两种,气体之间的扩散(包括水蒸气在细胞腔空气中的扩散)和细胞壁里结合水的扩散。流体在木材中的渗透有别于流体在木材中的扩散。正如Siau教授
[2]指出的那样,渗透是一种体流,是因静压力梯度或毛细管压力梯度作用出现在木材内部结构相互连通孔隙中流体的流动。木材流体渗透性是木材的一个重要性质,木材加工处理如木材干燥、改性、防腐、胶粘、化学制浆等都与渗透性关。
达西定律
流体凭借压力差,以稳定状态在木材中流动,一般遵循达西(Darcy)定律。达西定律描述液体在木材以及其他多孔性固体内的稳态流动,通常用下式表示。
传导率=通量÷
在方程()中传导率实际上也就是渗透率。达西定律应用于木材中还有许多假设和附加条件,其基本假设是:
,因此层流流速以及容积流速与所施加的压力差成正比;
;
;
:
。
达西定律应用于木材中气体和液态水的移动时,在许多情况下与以上假设并不相符,尽管如此,用它作为表征流速和压力梯度之间关系的基本方程仍然是适用的。
木材对于不可压缩流体如液体达西定律可按下式表示:
kl = 通量/梯度= (V/t A)/(△P/L) = Q L/(A △P)
其中,kl:液体的渗透率(cm3液体/cm atm s);
V:液体流过的体积(cm3);
t:该体积的液体通过木材所需的时间(s);
Q:液体的体积流量率(cm3/s);
L:液体流过的长度(cm);
A:液体流过的面积(cm2);
△P:试样两端的压力差(atm)。
,渗透率在数值上等于单位多孔性立方固体,在相对两面施加单位压力差时,液体移动的速度。此方程适用于侧面对应平行及端面相互平行的试材。
达西定律应用于气体移动时,由于气体在试材里移动的过程中膨胀,所以压力梯度
和容积流速连续变化。为了说明这一现象,取达西定律的微分形式:
kg = Q/(A dP/dL) 或 kg dP = Q dL/A
其中,kg:表面气体渗