新型木材气体渗透性测试装置的设计

李 涛， 邹国政， 蔡家斌， 周定国

（南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210037）

新型木材气体渗透性测试装置的设计

李 涛， 邹国政， 蔡家斌， 周定国

（南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210037）

当前木材科学与工程专业科学研究及实验教学中急需一套木材气体渗透性测试装置。在试验结果需客观准确的前提下，以操作过程简便易行为目标，对试样装夹方法(试样加工、夹具结构)以及夹具与测试系统的对接方式等关键技术进行了优化设计，成功应用了金属开孔器，D、F型快速接头等市场上常见的装置和附件，开发了一套可快速测定木材气体渗透性的新型实验装置。

木材;气体渗透性;测试装置

0 引言

木材渗透性是指气体或液体在一定的压力差条件下，通过木材内部孔隙通道从其外部逐步渗透进入内部(或从内到外)的能力，它是一项重要的木材物理性能指标［1］。在木材防腐、阻燃、尺寸稳定化处理中的液体浸注，以及木材干燥过程中的水分排除等诸多木材加工工艺中，亦或在其他诸如涂饰、制浆造纸等其他应用领域，均需运用木材气/液体渗透性的理论和规律［2］。因此，木材渗透性尤其是木材气体渗透性规律及其改善方法一直以来都是相关研究领域的热点问题［3-14］。同时，由于其理论价值和对木材工业生产的指导性，它也一直是木材科学与工程专业本科及研究生理论教学中的要点和难点。为了加深学生对该知识点的理解和掌握，十分有必要将此项内容纳入到本科实验教学环节。

1 同类装置及问题分析

市场上现有一种主要应用于塑料薄膜包装材料的渗透性测量仪器，它的工作原理与木材渗透性测量理论相似，但其价格较高(10万元以上)，可以测试的试样厚度小(≤3 mm)，对于质地坚硬的材料，装夹、密封较为困难。目前，国内外本专业相关教学科研单位多采用升水容积置换法木材气体渗透性测试装置［15］，如图1所示。该套装置管路使用的是易碎的玻璃器具，其中表征压力差的载体是有剧毒的物质-水银，出于安全考虑，我校一直未将其应用到本科实验教学环节。另外，该装置的管路直径较小，试样装夹十分不便，同时也给横纹方向、小直径圆形截面的木材试样加工制备带来了较大的困难。以往对于横纹试样的测试，主要采用的是将易加工制备的方形试样装入圆形管路，然后用绳线缠绕系紧的办法，使试样侧面达到密封的要求，然而这种密封性会随着不同人、不同时间段的操作手法、力度不同，使实验的可重复性无法保证。

图1 升水容积置换法木材气体渗透性测试装置

利用该装置进行测试，需要测量的物理量很多，最主要有:用码表读出测积管中水柱从启动真空泵开始到上升到最高点的准确时间，与此同时还需立即测量出测积管中水柱上升的高度以及水银差压计中的两边水银液面的高度差。另外，每测一个样品前，都必须将测试装置上部的压力测量管路与下部的缓冲瓶分离，在塑料软管中装夹并密封试样后，再将两者重新结合并密封，以完成测试准备工作。总体来讲，这套装置操作起来十分不便，一般每次实验至少需要2人相互配合，即使这样，工作强度亦很大。

针对上述问题，笔者设计制作了一套新型的木材气体渗透性测试装置。

2 测试系统设计

整套测试装置结构如图2所示，其中缓冲罐的功能是缓冲整套装置内的压力波动，使测试过程平稳进行，而过滤器则可以起到过滤空气中的水汽及灰尘杂质的作用。A、B为控制测试管路通断的球阀，C为调节流过试样气体流量大小的针型阀。

图2 测试装置结构图

考虑到操作安全性问题，同时也为了实现操作流程清晰明确、易于掌握，数据结果直观易得的设计目标:在试样两侧压力及压力差的表征上，选用了技术成熟、价格合理的精密真空表(量程0～－0.1 MPa，精度等级0.16级，最小分隔值250 Pa)及精密数显差压表(量程0～ －0.1 MPa，精度 0.05级，最小分隔值 10 Pa)代替水银差压计;应用微小流量型玻璃转子气体流量计(量程1.7 ～21.5 ml/min，准确度2.5级)测量流过试样的气体流量;连接上述仪表、设备以及阀门等配件的管路系统，使用的是聚氨酯气动软管，并在与试样夹具对接的位置预留了常用的螺纹接头;设计加工制作了一台实验柜，以便将上述测试系统各部件安装固定下来，如图3所示。

图3 测试系统内部

3 试样装夹部分设计

试样装夹的密封性及可重复性的好坏，对于最终测量数据的真实性、可靠性起着至关重要的作用。横纹方向的圆形试样，由于待加工板材厚度方向尺寸较小，一般很难通过车床加工制备，若使用数控铣床进行大批量加工，经济性则较差。笔者选用规格为38 mm的金属开孔器安装在台钻上作为试样的加工装置，如图4所示，钻孔取芯，后期经过适当的砂光处理，即可完成试样的制备工作(试样直径为32.5 mm);试样装夹部分的管路则选择透明性好、韧性佳(孔径可适当扩张、管壁可适当压缩)的硅橡胶管，其正常状态下的内外径大小分别为32、38 mm;图5所示为压力管路上常用的喉箍，其宽度为15 mm，能夹持36～39 mm外径的管路，可通过套筒扳手紧固位于其上部的外六角螺母，从而使喉箍与硅橡胶管外壁紧密接触，进而保证试样侧面与硅橡胶管内壁之间的密封性。同理，利用喉箍的紧固作用，在硅橡胶管的两端安装管外径与硅橡胶管内径配套，一端呈宝塔型;另一端具有普通螺纹的宝塔接头，螺纹的市售规格型号为DN25(3.3 cm)。

图4 试样加工

图5 喉箍

图6 F型快速接头

4 测试系统与试样夹具对接部位设计

相对于其他多孔透气性材料，木材气体渗透性变异极大［1］，为了保证测试数据的有效性，需要加大测试样本的数量。因此在测试装置数量有限的情况下，快捷地将试样夹具与测试管路进行对接，将是木材气体渗透性测试在短课时、人数多、实验量大的本科实验教学环节中顺利开展的有力保障。快速接头是一种不需要其他辅助工具，徒手即可实现管路连通或断开的接头，已在燃气、输油工程管道连接上大量应用。本装置设计首先通过变径接头将试样夹具上的3.3 cm螺纹接头进行变换，使其与测试系统管路上预留的螺纹接头规格相同，进而在两者的螺纹接头上分别安装F型(见图6)和D型(见图7)快速接头，从而实现测试系统与试样夹具的快速可靠对接。试样装夹及其与测试系统对接的过程如图8、9所示。

5 测试步骤

(1)准备工作。依次使用游标卡尺和螺旋测微器测量试样的直径r和厚度h后，将试样装夹到夹具上;

(2)利用配套的阴阳接头使夹具与测试装置快速对接，然后检查确认球阀B关闭并打开球阀A，使缓冲罐仅与真空泵连通;

图7 D型快速接头

图8 试样装夹过程

图9 测试系统与试样夹具对接过程

(3)打开电源启动真空泵，将缓冲罐内的绝对压力降至0.01 MPa(即真空表示数为－0.09 MPa)后关闭电源及球阀A;

(4)打开球阀B，使缓冲罐仅与试样一侧连通;

(5)调节针型阀C，待流量计示数稳定后，立即分别读出流量计、真空表及差压表示数;

(6)关闭球阀B，将夹具与测试装置分离;

6 结语

相对于现有的升水容积置换法装置，本文设计的新型木材气体渗透性测试装置密封性好、安全性高、读数直观、试样装夹操作方便、测试流程易于掌握。在开展本科实验教学时，学生可以利用测试前的排队等待时间，完成安装试样、紧固喉箍等相对比较费时的试样装夹工作，待上机测试时，只需把夹具的两端与测试系统的接口快速对接即可，多人次连续测试时，时间安排合理、高效。

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Design of New Type Measurement Device for Wood Gas Permeability

LI Tao，ZOU Guo-zheng，CAI Jia-bin，ZHOU Ding-guo
(College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)

Nowadays，there are some lots research and experimental teaching needs for the testing of wood gas permeability in the major of wood science and technology.For To achieving achieve the goal of quick and simple operation，under the precondition of ensuring the reliability and comparability of the results，we adopted the key technologies such as the method of specimen clamping，including the wood sample preparation and，the clamp structure，and the installation pattern for attaching the clamp to the testing system were specially considered in the design process.The metal hole saw and type D and F quick coupling，which could be commonly got in the market，were successfully utilized in the development of this new kind of measurement device for gas permeability of wood.

wood;gas permeability;measurement instrument

S 781.35

A

1006－7167(2014)05－0058－04

2013－07－08

国家林业局948项目(2011-4-12);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13_0541);江苏高校优势学科建设工程资助项目;南京林业大学自制实验教学仪器设备项目

李 涛(1982－)，男，安徽安庆人，实验师，在读博士，主要从事木材干燥及木质材料功能化改良的研究。

Tel.:13675142571;E-mail:litaocn0062@163.com

周定国(19 －)，男，教授，博士生导师。

Tel.:025-85427518;E-mail:dgzhou@njfu.edu.cn