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龙
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竹
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竹
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材
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特
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性
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研
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究
孙照斌, 田 芸, 曲保雪
(河北农业大学,河北 保定 071000)
摘 要:对龙竹竹材的吸湿膨胀特性进行了测试和分析。结果表明,竹材各个方向上吸湿膨胀特性差异显著,
且竹间部位和竹节部位的吸湿膨胀特性也有一定差异。
关键词:竹材;吸湿;膨胀性
中图分类号:TS61文献标识码:A 文章编号:1001-4462(2006)09-0007-03
Study on Character of Hygroscopicity and Expansion of Bamboo Timber
SUN Zhao-bin, TIAN Yun, QU Bao-xue
(Agricultural UniversityofHebei, Hebei Baoding071000, China)
Abstract:Thehygroscopicandexpansionofbambootimberweremeasuredandanalyzed. Theresultshowedthat,the
difference of hygroscopic and expansion of bamboo timber among three direction was distinct, and there was definited
differencebetweentheknotsectionandknotlesssectionalso.
Key words:bambootimber;hygroscopic;expansion
竹材属于毛细管多孔有限膨胀胶体,表面积大,孔
隙率高,具有一定的吸着性。竹材吸湿性指竹材从周围
空气中吸收水蒸汽并产生膨胀的性能。竹材和竹材制
品(竹地板、竹集成材等)作为主要的室外建筑材料或
室内装饰装修材料和家具材料,其吸湿性能更显得尤
为重要。吸湿性对调节室内空气温度、湿度等具有重要
作用,通过对竹材吸湿性的研究,可初步确立竹材的吸
湿规律,为竹材的深加工和作为建筑或装饰材料提供
理论依据及应用指导。
1 材料与方法
1.1材料
龙竹购自昆明竹材市场(产于云南思茅地区) ,为
新采伐鲜竹、长度20m以上、胸径约15cm左右、带竹青
竹黄的竹壁厚 15～40mm,选取从根部 0.5～3.0m段竹子
为试验用材。手工将竹筒劈成长0.8m、宽20～30mm的
竹片,竹片浸泡于实验室水池中贮存备用。
试验时将竹片从水池取出稍晾干,然后用平刨除
去竹青、竹黄,用锯机把竹片加工成规格为20mm(长)×
20mm(宽)×(10～15mm)(厚)的试材,干燥后进行吸湿
试验。
文中所提到的竹青、竹黄是指竹片中靠竹青或靠
竹黄的一侧,而不是龙竹植物构造意义上带竹皮的竹
青和竹黄。
吸湿滞后试验试件分两大组,A组尺寸:200mm(长)
×25mm(宽)×15mm(厚);B组尺寸:20mm×20mm×10mm。
1.2试验方法
①不同方向吸湿速度试验[1-2]:三个方向分三组,
每组试件留下待测吸湿性表面,其余表面用树脂胶封
涂。
②吸湿滞后试验:A组和 B组试件又各分两小组,
每小组中一组试件为湿材,在空气中气干至解吸平衡,
收稿日期:2006-06-13
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另一组试件先绝干,然后在空气中吸湿至吸湿平衡含
水率,最后分别计算各自的平衡含水率并进行比较,每
小组试件10个。
③吸湿膨胀率试验:试材放入吸湿容器前先划线确
定测量点,然后定点测量竹片的长、宽、厚尺寸并用天
平称重。试材放入吸湿器后进行吸湿,每隔一定时间取
出试材定点测量试材长、宽、厚尺寸并称重,详细记录
数据,待试验完成后处理数据。
1.3试验仪器和试剂
烘箱、电子天平、电子卡尺(0.01mm)、百分表(0.01
mm)、吸湿容器。
调湿溶液[3]为醋酸钠溶液(NaC2H3O2·3H2O) ,该饱
和盐溶液在温度20℃时相对湿度为76%。
2 结果与讨论
2.1竹材吸湿速度的比较
2.1.1竹间不同方向吸湿速度的比较
竹间不同方向吸湿速度比较见图1。从图中可以看
出,纵向吸湿速度大于弦向吸湿速度和径向吸湿速度。
2.1.2竹间和竹节吸湿速度的比较
竹间和竹节吸湿速度比较见图 2。从图中可以看
出,竹间吸湿速度大于竹节吸湿速度。
2.2竹材的吸湿膨胀率
竹间和竹节吸湿膨胀率的比较见图3和图4。
从图3和图4中可以看出:
①不同方向比较:竹间,纵向吸湿膨胀率小于弦向
吸湿膨胀率和径向吸湿膨胀率;竹节,弦向吸湿膨胀率
大于径向吸湿膨胀率和纵向吸湿膨胀率。图 4显示竹
节在纵向出现吸湿后尺寸变小现象(出现负值) ,这可
能是竹材试件的泊松效应作用。
②竹节和竹间比较:竹节径向吸湿膨胀率小于竹间
径向竹节膨胀率;竹节弦向吸湿膨胀率大于竹间弦向
竹节膨胀率。
2.3竹材吸湿膨胀特性分析
竹材纵向吸湿膨胀率小于径向吸湿膨胀率和弦向
吸湿膨胀率的原因如下:从竹材构造看,在竹壁内的基
本组织中镶嵌着许多维管束,从竹壁外层往里层维管
束越来越粗,分布越来越稀。在径向,竹材从竹黄到竹
青,竹材维管束密度逐渐增加,竹材靠竹青侧的外层,
竹材维管束密度较大,空隙较少,渗透性较差;而占竹
材材积较大的竹肉部分,竹材维管束密度相对较稀疏,
基本组织较多,该层流体渗透性相对含竹青的外层稍
好[4],竹肉部分和竹青部为串联结构,竹材径向吸湿性
主要由含竹青的外层决定,而该层由于竹材维管束密
度大,薄壁组织细胞较少,吸湿性相对较差,因而径向
吸湿膨胀率较低。
在弦向,竹肉部分和竹青部为并联结构,竹材的吸
图4 竹节不同方向吸湿膨胀率
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
吸
湿
速
度
(
%
/
h)
纵向吸湿速度
径向吸湿速度
弦向吸湿速度
0 1 3 9 27 51 76 109 132
吸湿时间(h)
图1 竹间不同方向吸湿速度比较
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0吸
湿
速
度
(
%
/
h)
吸湿时间(h)
竹节吸湿速度
竹间吸湿速度
5 9 24 34 77 103 131 158
图2 竹间和竹节吸湿速度比较
3.5
2.5
1.5
0.5
0.0吸
湿
膨
胀
率
(
%
)
弦向
径向
纵向
2 5 9 24 34 77 103 131 158
吸湿时间(h)
图3 竹间不同方向吸湿膨胀率比较
弦向
径向
纵向
6
5
4
3
2
1
0
-1吸
湿
膨
胀
率
(
%
)
2 5 9 24 34 77 103 131 158
吸湿时间(h)
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湿性主要由竹肉部分和竹青部的吸湿性共同决定,两
者互相牵制,尽管竹青吸湿膨胀率较大,但受竹黄吸湿
膨胀率影响,导致弦向吸湿膨胀率较小。
在纵向,竹材各种细胞组织整齐排列,微纤丝与细
胞轴近似平行,在一定的条件下,水分进入微纤丝之间,
使微纤丝之间距离增大,而水分对微纤丝纵向几乎没有
作用,因而竹材纵向吸湿性较差,吸湿膨胀率较低。
在竹节处,竹子节部维管束的反复分叉和相连,以
及筛管侧壁上大量筛域的存在[5],使竹子体内物质(水
分)的横向运输能在节部进行,即在节子部位,横向移
动通道占多数,纵向移动通道占少数,故竹材节部的吸
湿性大于无节部位的吸湿性,从而使竹节部位吸湿膨
胀率大于竹间部位吸湿膨胀率。
竹材试件泊松效应作用的影响。当试件放入吸湿容器
后,竹材试件各个方向迅速吸湿膨胀,径向和弦向的变化
远快于纵向长度方向,即径向和弦向的快速膨胀抑制了纵
向的膨胀,使纵向长度方向膨胀趋于缓和,甚至尺寸缩小。
有关竹材试件纵向吸湿膨胀的泊松效应问题有待进一步
试验和分析讨论。
2.4竹材的吸湿滞后
从竹材吸湿和解吸平衡含水率的结果比较可知,竹
材与木材相同,也存在吸湿滞后现象。本次试验结果显
示,试件尺寸较大的A组(200mm×25mm×15mm)竹材的
吸湿滞后数值在3.4%;而试件尺寸较小的B组(20mm×
20mm×10mm)竹材试件的吸湿滞后数值为1.8%。
吸湿滞后的原因主要是竹材经干燥后,原来吸附水
分的OH-,由于竹材收缩彼此紧密地靠在一起,借氢键
力直接互相饱和,不再能吸附水分子[6]。
竹材平衡含水率的滞后现象在竹材加工利用上具
有很大意义,竹材在制成竹制品前,应该干燥到与使用
地区空气温、湿度变化相适应的平衡含水率,才可能避
免竹材含水率因受使用地区空气温湿度的变化波动,引
起竹材的干缩或湿胀而导致开裂或翘曲。
2.5竹材的吸湿原理探讨
竹材及其组成成份(纤维素、半纤维素和木素)作
为一种天然高分子材料,在一定的温度、湿度作用下,
具有较强的吸湿特性和传湿特性。组成竹材的主要组
分——纤维素,从结构上来说,它具有无定型区和定型
区两部分,当干燥的竹材放在潮湿空气中,竹材中纤维
素的微晶表面和无定形区上的游离OH-借分子间力和
氢键力将空气中水蒸汽分子吸附于其上,在纤丝之间
形成多分子水层的吸附水。且纤维与纤维之间的间隙
也为水分的传输提供了通道。
竹材属于毛细管多孔有限膨胀胶体,具有极高的
孔隙率和巨大的内表面,因而竹材的表面现象特别显
著,具有强烈的吸附性和毛细管凝结现象,而水的偶极
矩尤其蒸汽凝结的能力又高,当竹材与空气中水蒸汽
接触时,竹材—水蒸汽界面上的表面现象就表现得尤
为显著。
当干竹材放置在潮湿空气申时,微晶的表面借分
子间力和氢键力将空气中水蒸汽分子吸引在其表面
上,生成多分子水层,从而形成吸附水。 空气相对湿度
越高,所吸附的水层厚度则越厚,最大的厚度相当于几
百个水分子的直径,此种吸附现象可以一直继续到相
对湿度为 100%,细胞壁全部充满水分,即达到吸着水
的最大量或纤维饱和点为止。
3 结论
①吸湿速度:纵向吸湿速度大于弦向吸湿速度和径
向吸湿速度;竹间吸湿速度大于竹节吸湿速度。
②吸湿膨胀率:在竹间,径向吸湿湿胀率大于弦向
吸湿湿胀率和纵向吸湿湿胀率;在弦向,竹青吸湿湿胀
率大于竹黄吸湿湿胀率;在竹节,弦向吸湿膨胀率大于
径向吸湿膨胀率和纵向吸湿膨胀率;竹节和竹间比较,
竹节径向吸湿膨胀率小于竹间径向竹节膨胀率;竹节
弦向吸湿膨胀率大于竹间弦向竹节膨胀率。
③龙竹竹材吸湿和解吸平衡含水率比较表明,试件
尺寸较大者(200mm×25mm×15mm)的吸湿滞后数值为
3.4%;而试件尺寸较小者(20mm×20mm×10mm)的吸湿
滞后数值为1.8%。此方面的差异有待进一步研究。
④竹材在纵向出现吸湿后尺寸变小现象,这可能是
竹材试件的泊松效应,有关竹材试件纵向吸湿膨胀的
泊松效应问题有待进一步试验和分析讨论。
参考文献:
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