全 文 ：第 wt卷 第 x期
u s s x年 | 月
林 业 科 学
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木材在毛细与非毛细管方向的吸收特征及
受液体性质影响的研究 3
吴洪远 岳 斌 沈 青
k东华大学材料科学与工程学院高分子材料系 上海 usssxtl
摘 要 } 分别应用水 !甲酰胺和二碘甲烷 v种不同性质的液体 o研究木材吸收液体的动力学过程及在毛细管和非
毛细管 u个方向的不同吸收特征 ∀结果表明 }木材吸收液体过程无论在毛细还是非毛细管方向都为三段式进行 o
其特征是初始和最后阶段为线性吸收 o即具有零级动力学吸收的特征 ~而中间阶段则具有复杂的一级和二级吸收
反应动力学的特征 ∀根据吸收现象分析 o液体的粘度 !极性及 ¨º¬¶酸碱反应性都将影响木材的吸收过程 ∀根据所
记录的动态吸收曲线 o文中给出了木材吸收液体的动力学模型及参数 ∀
关键词 } 木材 ~吸收 ~毛细管 ~液体
中图分类号 }≥z{t1w 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussxlsx p stsy p sw
收稿日期 }ussv p ts p s| ∀
基金项目 }教育部留学归国人员启动基金ku…tsystl和东华大学教改基金kŠsvsyl资助 ∀
3 沈青为通讯作者 ∀
Αβσορπτιον οφ Λιθυιδσιν Χαπιλλαρψ ανδ Νον2Χαπιλλαρψ οφ Ωοοδ ανδ
τηε Εφφεχτσ οφ Λιθυιδ Προπερτιεσ
• ∏‹²±ª¼∏¤± ≠∏¨ …¬± ≥«¨ ± ±¬±ª
k ∆επαρτµεντ οφ Πολψµερ Ματεριαλσo Χολλεγε οφ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Ενγινεερινγ οφ ∆ονγηυα Υνιϖερσιτψ Σηανγηαιusssxtl
Αβστραχτ } „³³¯¼¬±ªº¤·¨µo©²µ°¤°¬§¨ ¤±§§¬¬²§²°¨ ·«¤±¨ o¤¶³µ²¥¨ ¬¯´∏¬§¶·²³¨ ±¨·µ¤·¨¬±·²³¬±¨ º²²§¤·¬·¶¦¤³¬¯¯¤µ¼¤±§±²±2
¦¤³¬¯¯¤µ¼ ¶¨¦·¬²±¶oµ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ o·«¨ §¼±¤°¬¦¤¥¶²µ³·¬²± °²§¨ ¶¯²©º²²§«¤§¥¨ ±¨ §¨§∏¦¨§¥¤¶¨§²±µ¨¦²µ§¨§¤¥¶²µ³·¬²±¦∏µ√¨ ¶q
• ¶¨∏¯·¶¶«²º¨ §·«¤·º²²§¤¥¶²µ¥¶ ¬¯´∏¬§¬± ¥²·«¦¤³¬¯¯¤µ¼ ¤±§±²±2¦¤³¬¯¯¤µ¼ ¶¨¦·¬²±¶©²¯ ²¯º¬±ª·«µ¨¨¶·¨³¶o¬q¨ q¥²·«·«¨ ¬±¬·¬¤¯
¤±§©¬±¤¯ ¶·¨³¶©²¯ ²¯º¨ §·«¨ ½¨ µ²²µ§¨µ¤§¶²µ³·¬²±µ¤·¨oº«¬¯¨ ·«¨ ¥∏¯®¶·¨³ º¤¶¦²°³¯ ¬¨¯¼ §²°¬±¤·¨§¥¼ ¤©¬µ¶·²µ¶¨¦²±§²µ§¨µ
¤§¶²µ³·¬²±µ¤·¨q²µ¨²√¨ µo¬·º¤¶¤¯¶²©²∏±§·«¤··«¨ √¬¶¦²¶¬·¼o³²¯¤µ¬·¼¤±§·«¨ ¨º¬¶¤¦¬§2¥¤¶¨ ¬±·¨µ¤¦·¬²±¶²© ¬¯´∏¬§¶º¨ µ¨ °¤¬±
©¤¦·²µ¶·²¬±©¯∏¨±¦¨ º²²§¤¥¶²µ³·¬²±q
Κεψ ωορδσ} º²²§~¤¥¶²µ³·¬²±~¦¤³¬¯¯¤µ¼~ ¬¯´∏¬§
随着社会现代化水平的提高 o人们对绿色材料的需求与日俱增 o木材作为一种可再生环保材料越来越引
起人们的关注 o研究木材的性质有着十分重要的现实意义 ∀
由于木材具有天然的多孔特征 o而这种多孔特征最容易被观察到的是其毛细管特征 o所以虽然在研究木
材性能时有人按切割面将木材不同的面分别定义为径向 !弦向 !纹理方向和垂直纹理方向k≥­²·µ²±ot|{tl o但
依然有许多人习惯于根据肉眼可见的毛细管特征来认识木材k‹ µ¨ª·ετ αλqot|zu ~‹¤¬¶«¬ot|{sl ∀事实上 o≥«¨ ±
等kt||{¦l曾按木材的不同切割面研究木材的表面性能 o但发现受毛细管与非毛细管吸收的影响极为明显 ∀
这说明影响木材吸收性能的主要还是其毛细管与非毛细管之间在结构上的区别 ∀
木材的吸收性能直接影响到木材的应用 o至今为止国内外已经有许多人对其进行了研究k‹ µ¨ª·ετ αλqo
t|zu ~‹¤¬¶«¬ot|{s ~≥«¨ ± ετ αλqot||{¤p ¨~≥¬¤∏ot|{w ~鲍甫成等 ousst ~ussul ∀ ‹ µ¨ª·等kt|zul研究了水和乙醇浸
渍一系列木材毛细管的过程 o并发现此过程分成 u部分 o首先是木材表面的迅速湿润 o然后是木材的毛细管
吸收 o已经发现了液体的性质明显影响到木材的吸收 o但未在工作中进一步考虑液体的表面性能 ∀由于液体
的表面性能可以分成仅含有 ¬©¶«¬·½2√¤± §¨µ• ¤¤¯¶力的 o及仅含有或同时含有 ¨º¬¶酸碱性质的k≥«¨ ±ousssl o
所以根据液体的不同表面性质研究其在木材吸收中的作用及影响具有科学与实用的意义 ∀
通过比较 o本文研究了木材的毛细管与非毛细管吸收液体的动态过程 ∀由于采用了一系列具有不同性
质的液体 o如仅具有¬©¶«¬·½2√¤± §¨µ• ¤¤¯¶力的二碘甲烷 o及同时具有 ¨º¬¶酸碱性质的水和甲酰胺 o并根据试
验数据推导了动力学模型 o所以其结果将有利于认识木材的吸收性质及进一步地应用木材 ∀
t 材料与方法
111 材料
试验用木材取自芬兰南方的欧洲赤松k Πινυσσψλϖεστρισl o长和宽各为 ts °° o厚 x °°∀木材的含水量约为
v h o未经过任何物理和化学方法处理k≥«¨ ± ετ αλqot||{¤∗ l¨ ∀所用液体为经过无离子化处理的蒸馏水 !分
析纯的甲酰胺kƒ’l和二碘甲烷k⁄ŒŒl ∀这些液体的表面性质如表 t所示k≥«¨ ± oussslk׏为表面张力 o׏• 为
表面张力中的 ¬©¶«¬·½2√¤± §¨µ• ¤¤¯¶力成分 oΧ„… 为表面张力中的 ¨º¬¶酸碱反应能力的成分 o ׏n和 ׏p则
分别代表 ¨º¬¶酸和碱的成分 oΓ为液体的粘度l ∀
表 1 液体的表面性能
Ταβ . 1 Συρφαχε προπερτιεσ οφλιθυιδσ
液体 ¬´∏¬§¶ ׏Πk°‘#°ptl ׏•Πk°‘#°ptl ׏„…Πk°‘#°ptl ׏nΠk°‘#°ptl ׏pΠk°‘#°ptl ׏„…Π׏ ΓΠ¦³
二碘甲烷 ⁄¬¬²§²° ·¨«¤±¨ xs1{ xs1{ s s s s s1su{
水 • ¤·¨µ zu1zx ut1{ xt v|1yy ty1v| s1zs s1sts
甲酰胺 ƒ²µ°¤°¬§¨ x{1u v| t| v1xw ux1w| s1vv s1swy
112 测试仪器及木材吸收Π吸附液体的试验过程
木材吸收液体的试验是在 ≥¬ª°¤Ž≥∂ zsk芬兰 Ž≥∂ 公司l表面张力仪上进行的 ∀测试过程木片悬挂在液
体上方 o二者仅保持接触但无相对运动的状态 o使得木材在吸收液体过程始终保持一种自发吸收液体的状
态 o以反映出木材的原始吸收特征 ∀整个过程木材在不同时间所吸收液体的量由计算机进行动态监控和记
录 ∀木材的毛细管面与非毛细管面都分别被进行了测试 o在 ux ε 条件下进行 ∀
u 结果与讨论
211 木材吸收液体的动态过程
图 t记录和反映了木材自发吸收 v种不同性质液体的动态过程 o其中可以明显地看出 o木材的毛细吸收
要大于非毛细吸收 o但液体的性质对吸收过程影响很大 ∀
图 t 木材自发吸收 v种流体的动态过程
ƒ¬ªqt „¥¶²µ³·¬²± ²©·«µ¨¨ ¬¯´∏¬§¶¬± º²²§
¤q水 • ¤·¨µo¥q甲酰胺 ƒ²µ°¤°¬§¨ o¦q二碘甲烷 ⁄¬¬²§²°¨ ·«¤±¨ o‘≤ }非毛细管吸收 ׫¨ ±²±p¦¤³¬¯¯¤µ¼o≤ }毛细管吸收 ׫¨ ¦¤³¬¯¯¤µ¼q
由于以水为液体浸渍木材已被许多人研究过 o所以图 t¤给出的现象非常有意义 ∀首先 o与图 t¥!¦比
较 o木材的毛细管吸收性能可能是非毛细管吸收性能的 t1tu ∗ t1vw倍 o尤其是吸收水的量明显大于其他 u
种液体 ∀其次发现 o由于水的表面张力明显大于二碘甲烷和甲酰胺k表 tl o所以图 t所示木材吸收水多于其
他液体说明了液体表面张力不是一个影响木材吸收的因素 ∀由于图 t还显示木材吸收水的初期ks ∗ uss ¶l
zst 第 x期 吴洪远等 }木材在毛细与非毛细管方向的吸收特征及受液体性质影响的研究
其毛细管和非毛细管的吸收曲线几乎重叠 o而此现象又不意味着木材在这 u个方向具有一样的吸收性能 o如
图 t¥!¦所示 o所以可以解释的理由是水的 ¨º¬¶酸碱成分与木材的 ¨º¬¶碱性成分在吸收一开始即发生了明
显的反应 o以至木材的非毛细管有了与毛细管一样的吸收特征 o如一样的孔径 ∀而随着吸收时间的增加 o这
种现象开始出现明显差异 o即毛细方向吸收液体的量越来越多 ∀这可能意味着此时木材中的 ¨º¬¶酸碱成
分已与水的 ¨º¬¶酸碱成分进行反应达到了平衡 ∀
根据图 t及表 t的分析 o木材吸收液体的量与这些液体的其他表面性能参数之间的关系也似乎不大 o但
却与粘度的关系似乎更合乎逻辑 o即粘度越小越容易被木材吸收 ∀
此外 o由于图 t所示曲线代表了 v种不同性质的液体在木材毛细与非毛细管 u个方向的吸收特征 o所以
这些曲线的形状应该反映出我们所期望的重要的信息 ∀二碘甲烷的吸收曲线似乎自一开始就显示出非常小
的斜率 o明显与其他 u种液体的吸收曲线不一样 ∀由于该液体仅具有 ¬©¶«¬·½p√¤± §¨µ• ¤¤¯¶力 o而该木材被发
现也具有较大的 ¬©¶«¬·½p√¤± §¨µ• ¤¤¯¶力k≥¬¤∏ot|{wl o所以这个现象可能意味着 ¬©¶«¬·½p√¤± §¨µ• ¤¤¯¶力在木
材吸收过程中扮演着非常重要的角色 ∀
212 木材吸收液体的动力学模型及参数
为了进一步认识图 t所示的曲线以认识木材的吸收特征 o利用数学模型对这些曲线分别进行了描述 o并
归纳在表 u !v中 ∀由于所有曲线的拟合值 Ρ都在 s1||w ww到 s1||| |z之间 o说明这些模型具有非常高的拟
合度 o即得出的数学模型基本上代表和反映了木材的真实吸收过程 ∀
表 u给出了木材吸收液体的动力学模型 ∀由表 u可知 o与 ‹ µ¨ª·等kt|zul的研究结果 o如木材吸收液体
分两步不一致 o本文发现木材吸收液体过程无论是毛细管还是非毛细管方向都可以分成 v步 o其第 t和第 v
步的规律都是按照零级吸收的特征 §ΩΠ§τ € Α进行 o而区别仅在于吸收速率不同 ~但第 u步却明显不一样 o
呈现出既有一级特征的吸收 §ΩΠ§τ € Αn Βτ o也有二级特征的吸收 §ΩΠ§τ € Αn Βτ n Χτu ∀比如木材毛细方
向吸收甲酰胺时出现了一个唯一的二级吸收特征 o这显然意味着木材毛细管中 ¨º¬¶酸性成分与呈 ¨º¬¶碱
性的甲酰胺有反应发生 o而且说明木材吸收液体是一个复杂的过程 ∀
表 2 木材吸收液体的动力学模型
Ταβ . 2 Κινετιχ µ οδελφορ αβσορπτιον οφλιθυιδ ιν ωοοδ
溶剂
¬´∏¬§¶
第 t阶段吸收模型
²§¨¯©²µt¶·¤¥¶²µ³·¬²± ¶·¤ª¨
第 u阶段吸收模型
²§¨¯©²µu±§¤¥¶²µ³·¬²± ¶·¤ª¨
第 v阶段吸收模型
²§¨¯©²µv·« ¤¥¶²µ³·¬²± ¶·¤ª¨
说明
• ©¨q
水 Ω € x{1xs n t1twτ Ω € tts1zx n s1yyτ p x1tx ≅ tsp w τu Ω € uyw1yx n s1twτ ‘≤
• ¤·¨µ Ω € zw1x{ n t1s|τ Ω € tus1u| n s1x|τ p u1yu ≅ tsp w τu Ω € u{|1ww n s1tyτ ≤
甲酰胺 Ω € vy1uu n s1yxτ Ω € yz1wz n s1zyτ p w1wt ≅ tsp w τu Ω € u|y1wu n s1swτ ‘≤
ƒ²µ°¤°¬§¨ Ω € |{1{{ n s1xwτ Ω€ uy{1wx p s1vzτ n t1yw ≅ tsp v τu p t1uw ≅ tsp y τv Ω € vuw1sx n s1tsτ ≤
二碘甲烷 Ω € v1w{ n x1wvτ Ω € vt1|z n s1yyτ p t1yz ≅ tsp v τu Ω € tuz1|s n s1t{τ ‘≤
⁄¬¬²§²° ·¨«¤±¨ Ω € y1tw n z1|zτ Ω € xt1|y n s1z|τ p u1sx ≅ tsp v τu Ω € twt1yw n s1uwτ ≤
表 v进一步给出了木材吸收液体的动力学参数 o结果发现木材吸收极性液体k甲酰胺和水l的速率与非
极性液体k二碘甲烷l明显不一样 ∀比如 o表 v显示木材吸收极性液体的第一阶段都是非毛细管方向大于毛
细管方向 o而在第三阶段这种吸收规律又变得相反 ~这种规律与木材吸收非极性液体时始终是毛细方向大于
非毛细方向显然不一致k表 vl ∀这意味着木材的非毛细管部分有利于吸收极性液体 ∀换言之 o这意味着
¨º¬¶酸碱反应可能有利于木材吸收液体 ∀
表 v中还给出了木材吸收液体过程的分段时间 ∀值得关注的是二碘甲烷的第 t和第 u转折点时间都明
显小于其他 u种液体 o进一步说明 ¬©¶«¬·½p√¤± §¨µ• ¤¤¯¶力与 ¨º¬¶酸碱力对木材吸收的影响不一样 ∀尤其是
甲酰胺的 u个转折时间都明显大于其他 u种液体 o这不仅再次揭示了 ¨º¬¶酸碱反应对木材吸收的影响是减
少吸收量 o降低吸收速率 o也再次说明 ¨º¬¶酸碱反应在木材吸收 ¨º¬¶碱性液体时非常剧烈进行 o尤其是在
非毛细方向 ∀显然 o这意味着木材的毛细与非毛细方向有着结构与成分上的差异 ∀但无论如何 o表 v给出的
数据对木材的应用与处理是有益的 ∀
{st 林 业 科 学 wt卷
表 3 木材吸收液体的动力学参数及各阶段之间转折点的时间
Ταβ . 3 Παραµετερσ οφ κινετιχ µ οδελιν ρελατιον το αβσορπτιον οφλιθυιδ ιν ωοοδ ανδ τηε µιλεστονε τιµε φορ διφφερεντ στεπσ
溶液
¬´∏¬§¶
初始吸收速率
Œ±¬·¬¤¯ ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¨Πk°ª#¶ptl
最终吸收速率
ƒ¬±¤¯ ¤¥¶²µ³·¬²±µ¤·¨Πk°ª#¶ptl
第 t转折点
׫¨ ©¬µ¶··∏µ±¬±ª³²¬±·Π¶
第 u转折点
׫¨ ¶¨¦²±§·∏µ±¬±ª³²¬±·Π¶
说明
• ©¨q
水 t1tw s1tw {v1zs xzz1us ‘≤
• ¤·¨µ t1s| s1ty {y1|s y{v1ss ≤
甲酰胺 s1yx s1sw wuv1w| tuuz1vz ‘≤
ƒ²µ°¤°¬§¨ s1xw s1s| vxs1wu zvs1xu ≤
二碘甲烷 x1wv s1t{ x1ts tzy1zv ‘≤
⁄¬¬²§²° ·¨«¤±¨ z1|z s1uw x1|z uzw1vv ≤
v 结论
根据木材吸收液体动力学的研究 o本文发现木材吸收液体既受到毛细与非毛细这种天然性质的影响 o但
更受到液体性质 o尤其是粘度 !极性和 ¨º¬¶酸碱性的影响 ∀
木材吸收液体为三段式进行过程 o其初始和最后都遵循零级吸收反应规律 o而中间段则为复杂的一 !二
级吸收反应 ∀
参 考 文 献
鲍甫成 o侯祝强 qusst q针叶树材管胞气体渗透流阻及其渗透系数 q林业科学 ovzkwl }{s p {z
鲍甫成 o侯祝强 qussu q针叶树材纵向气体渗透的三维流阻网络 q林业科学 ov{kwl }ttt p tty
‹¤¬¶«¬× qt|{s q…¤¶¬¦°²§¨ ¶¯²© º¤·¨µ¤¥¶²µ³·¬²± ¥¼ º²²§¶Œq׫¨ ¥¨ «¤√¬²µ¶²©¥²∏±§¤±§©µ¨¨ º¤·¨µ§∏µ¬±ª³¨ ±¨ ·µ¤·¬²±¬±·² º²²§q²®∏½¤¬Š¤®®¤¬¶«¬ouyk{l }
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‹ µ¨ª·‹ ƒ „ o≤«µ¬¶·¨±¶¨± Š ‘qt|zu q≤¤³¬¯¯¤µ¼ ¤¥¶²µ³·¬²± ¥¼ º²²§µ¨ ¤¯·¨§·²¶∏µ©¤¦¨ ³µ²³¨µ·¬¨¶q ‹²¯½©²µ¶¦«∏±ªouy }uy p vt
≥«¨ ± ±¬±ªqusss q ’±·«¨ ¦«²¬¦¨ ²©·«¨ ¤¦¬§Π¥¤¶¨ µ¤·¬²²© º¤·¨µ©²µ¤³³¯¼¬±ª·²·«¨ √¤± ’¶¶2≤«¤∏§«∏µ¼p Š²²§¦²°¥¬±¬±ªµ∏¯ ¶¨q¤±ª°∏¬µoty }wv|w
≥«¨ ± ±¬±ªqt||{¤qŒ±·¨µ©¤¦¬¤¯ ¦«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶²© º²²§¤±§¦²²®¬±ª ¬¯´∏²µ¬± µ¨ ¤¯·¬²±·² ⁄¨ ¬¯ª±¬©¬¦¤·¬²± Ž¬±¨·¬¦¶q ! ¥² „®¤§¨ °¬˜±¬√ µ¨¶¬·¼ °µ¨¶¶
≥«¨ ± ±¬±ªo ¬®®²¯¤° o•²¶¨±«²¯ °  …qt||{¥q ±∏¤±·¬·¤·¬√¨ ¦«¤µ¤¦·¨µ¬½¤·¬²± ²©·«¨ ¶∏¥¶∏µ©¤¦¨ ¤¦¬§2¥¤¶¨ ³µ²³¨µ·¬¨¶²© º²²§¥¼ ∏¶¬±ª ÷°≥ ¤±§©²º®¨ ¶·«¨²µ¼q
≤²¯ ²¯¬§¶¤±§≥∏µ©¤¦¨¶„ otwxktΠvl }uvx p uwt
≥«¨ ± ±¬±ªo‘¼¯∏±§o•²¶¨±«²¯ ° …qt||{¦q∞¶·¬°¤·¬²± ²©·«¨ ¶∏µ©¤¦¨ ±¨¨ µª¼ ¤±§¤¦¬§2¥¤¶¨ ³µ²³¨µ·¬¨¶²© º²²§¥¼ ° ¤¨±¶²©º ·¨¬±ª °¨ ·«²§q‹²¯½©²µ¶¦«∏±ªoxu }
x ~xut p xu|
≥«¨ ± ±¬±ªo •¤«¬¤¯¤ ‹ o•²¶¨±«²¯ ° …qt||{§q∞√¤¯∏¤·¬²± ²©·«¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ¤±§¤¦¬§2¥¤¶¨ ³µ²³¨µ·¬¨¶²©¥∏¯® • ²²§¥¼ ƒ×2•¤°¤±¶³¨¦·µ²¶¦²³¼q≤²¯ ²¯¬§Œ±·¨µ©¤¦¨
≥¦¬ousykul }xx{ p xy{
≥«¨ ± ±¬±ªo•²¶¨±«²¯ ° …qt||{¨qŽµ¤©·¥¯¤¦® ¬¯´∏²µ¶³µ²³¨µ·¬¨¶¬± µ¨ ¤¯·¬²±·² ⁄¨ ¬¯ª±¬©¬¦¤·¬²±q‘²µ§¬¦°∏¯³°¤³¨µ• ¶¨otvkvl }ws p ww
≥¬¤∏ƒ qt|{w q×µ¤±¶³²µ·³µ²¦¨¶¶¨¶¬± º²²§q …¨ µ¯¬± ‹ ¬¨§¨ ¥¯¨µª ‘¨º ≠²µ® }≥³µ¬±ª¨µu ∂ µ¨¯¤ª
≥­²·µ²± ∞qt|{t q • ²²§¦«¨ °¬¶·µ¼o©∏±§¤°¨ ±·¤¯¶¤±§¤³³¯¬¦¤·¬²±¶q„¦¤§¨ °¬¦°µ¨¶¶oŒ±¦o˜≥„
|st 第 x期 吴洪远等 }木材在毛细与非毛细管方向的吸收特征及受液体性质影响的研究