节子对桉木吸水及解吸特性的影响

符羽栋， 杨 琳

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

桉树生长迅速、用途广范，是我国重要的人工速生树种[1]。加工获得的桉木美观[2]、柔韧、密度高，是生产板式家具的理想材料，具有很高的短期经济效益[3-4]。

桉木在成材过程中会产生一些自然缺陷，节子是木材中最为常见的缺陷之一，它是包含在树干或主枝木材中产生枝条的部分[5]，按木节与周边木材的连接与否可分为活节和死节。死节与周围木材呈脱离状态，对木材的影响较大。死节木材表现出双倍的初始硬度，导致切削阻力大，影响加工，一般避免使用[6]。优良的木材无节、少节或多为内在活节，在符合质量标准的前提下，依然具有使用价值。

本研究以活节为例，从木材质量、体积、含水率、水分迁移等方面研究节子对桉木吸水与解吸特性的影响，对比缺陷木材与正常木材的各组数据，明确两者性质差异，为加工与处理节子缺陷木材提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)速生林木材，产自广西柳州。木材采伐后，使用塑料薄膜包装，置于冰柜低温贮存。木材的初始含水率约为148%，生材密度为0.972 g/cm3。将其锯截成连续的10块试件，并从1到10进行编号，每个试件规格为20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)，其中编号6为存在节子缺陷的木块。

1.2 试验设备

鼓风干燥箱(DHG-905386-Ⅲ，上海新苗医疗器械制造有限公司)；电子天平(FA2004，精度0.001 g，上海精密仪器有限公司)；数显游标卡尺(精度0.01 mm，日本三丰)；烧杯。

1.3 试验方法

1.3.1 吸水过程桉木的含水率及密度测定

首先对试样的尺寸与质量进行测量，随后放入盛有蒸馏水的烧杯中，用不锈金属网将试样压入水面以下50 mm，盖好容器，水温保持在(20±2)℃的范围内，烧杯中的蒸馏水每隔5昼夜进行更换，保持蒸馏水的清洁。样品放入6 h进行第一次测量，随后间隔一定时间进行测量。每次测量时，试样从烧杯中取出后，用吸水纸吸去表面水分后进行测量。至最后两次的重量之差小于5%，达到最大含水率，记录最终的含水率。最后对所有的数据进行计算与分析，对比缺陷试样与正常试样在吸水过程中的密度、质量、体积、含水率等变化。

1.3.2 解吸过程桉木的含水率及密度测定

先记录下试件的初始质量与尺寸，然后将所有试件放置在温度为25 ℃、平均湿度为50%的室温环境下进行解吸。刚开始每隔4 h测量一次，随后增大测量的时间间隔，至最后两次称量之差不超过试样质量的0.5%时，即认为解吸完毕。测量最终的尺寸与质量，并计算出含水率与密度，进行对比分析。

1.3.3 桉木绝干尺寸与质量测定

首先测量试件的初始质量与尺寸，然后将试件放入烘箱进行烘干，在(103±2)℃的温度下烘8 h，每隔2 h对所有试件进行称量。当最后两次的重量之差小于等于试样重量的0.5%时，桉木达到绝干，将试样从烘箱中取出，放入干燥器内冷却，测得最终的绝干尺寸与质量。

2 试验结果与分析

2.1 节子对桉木含水率的影响

十块试件按顺序截取自同一木条，并依次编号，其中6号为具有木节的缺陷试样。10个试件水饱和状态与气干状态下含水率的比值如图1所示，6号试样ω饱水材/ω气干材的比值显著低于其他试件，说明两种状态下含水率的差异较小，水分迁移不活跃。对6号试样两种状态下的含水率数值进行对比，发现差异较大。与正常试件相比，其水饱和状态下的含水率偏低，为165.57%，显著小于其他试样(均值186.42%，标准差2.74)。解吸完全后，6号试样的含水率较高，达到了18.90%，在25 ℃、50%RH下的理论平衡含水率为9.2%。9块正常试样的实际测量值为10.19%，标准差2.28，与理论值相一致。

图1 饱水与气干材试样含水率比值

6号试样气干含水率高，而饱和含水率普遍低于其他9块正常试样，说明缺陷木材的含水率较低且吸水性较差。吸湿过程中试样含水率与时间变化曲线如图2所示，所有试件的含水率都随着时间的增加而升高，最终趋于稳定。试件刚开始的吸湿速率较快，150 h后趋于平缓。9块正常试件分布相对集中，多条曲线重合，差异较小，吸水至饱和状态后含水率最终稳定在185%。在这9块试件中，位于木条中部的7号、8号试件含水率相对较高，而处于端部的1号试件含水率最低，符合自然木材的水分分布规律[7]。6号试件的含水率曲线虽然与其他曲线形状相似，但在数值上差异较大，含水率远远低于正常试件。缺陷木材与正常木材气干过程中的含水率变化图如图3所示，两者含水率在前5天下降最快，随后减缓，最后趋于平衡。由图可以观察发现，具有木节缺陷的试件含水率变化程度较小，初始含水率较低，而平衡时含水率较高。

图2 吸水过程中试样含水率与时间变化曲线

图3 缺陷与正常木材解吸过程中含水率变化曲线

试件质量的变化与含水率变化呈正相关，10个试样在吸湿的前300 h的质量变化曲线如图4所示，质量的增加速率由快趋于平缓，其中6号试样的质量增加总幅较小，从初始第二大变为第五大，与其含水率变化相一致，这主要是由于节子与木材的结构不同，纹理与树干不一致，周围的木纤维排列方向交错，结构紧实，并且节子中含有大量的抽提物[8]，水分能够渗透进入的空隙与空间较小，一定程度上阻碍了水分的进入，与正常试件相比降低了质量与含水率的总增幅[9-10]。而处于端部的1号试样质量增幅最大，由第九变为第七，主要由于端部试样的初始含水率较低，具有较强的吸水性。另外，1号试件木材结构正常，具有更多的细胞空隙贮存水分[11-12]。

图4 吸水过程试样质量与时间变化曲线

2.2 节子对桉木密度的影响

气干与绝干密度对比如图5所示，在吸水过程中，6号试件的密度与正常试件差异较小，而在解吸过程中，随着水分的蒸发，存在节子的6号试样密度略大于其他9块试样。9块正常木材的平均气干密度约为0.46 g/cm3，6号试样的气干密度达到了0.5 g/cm3。同样地，缺陷试样的绝干密度比正常试样大0.04 g/cm3。密度与质量及体积存在一定关系，为了使质量与体积的变化更加明显，选取绝干到水饱和状态的变化过程。在质量的变化上，通过数值的对比可以发现，位于中部的6号试件的质量明显低于与其前后相连的5号、7号，而与端部的1号最为相似。但数值上的差异并不明显，通过计算得到第6号试件的质量变化率为165.57%，而其他9块试样的最小值(1号)为183.17%，由端部向中间逐渐升高，整体集中在186.42%，而位于中部的6号显著低于平均值。10个试件体积的变化数值上差异较小，6号木材的体积膨胀率与其他9块较为相似，平均在12.55%。存在木节的试样在气干与绝干状态下的密度显著高于正常试样[13-14]，随着吸湿过程大量水分的进入，两者之间的密度差异减小。在质量变化上，缺陷试样的变化率显著低于其他试样，而质量与含水率息息相关，说明缺陷木材的吸水性较差[15-17]。缺陷试样与正常试样的体积变化较为接近，体积的变化总量较小，难以直接从数值上发现差异，仍需进行验证。另外，虽然节子作为树木的一部分，但密度与树木整体不尽相同。密度的差异一定程度上是由于节子与自然木材的质地、结构不同，一般来说在同一棵树上树枝部位的密度最大，节子的密度次之，树干的密度最低。节子的构造独特，导管、纤维等组织方向改变造成纹理不规则，活节的组织与其周围的木材组织全部紧密相连，结构密实，质地坚硬，硬度较大[18-20]。节子结构示意图如图6所示。

3 结论

(1)存在节子缺陷的木材在吸水过程中的各个阶段含水率较低，与正常木材相比变化幅度较小，吸水性较差。在解吸阶段，初始含水率较低的缺陷木材在解吸完全后，含水率略高于正常木材，也体现出较小的变化幅度。

(2)质量变化主要体现水分的迁移，因此与含水率呈正相关，刚开始变化较快，随后减缓，最后趋于稳定。在吸水阶段，与正常木材相比，缺陷木材质量增加的速率较慢，增幅较小。主要是由于木节处纹理交错、结构紧实，细胞空隙较小，同时含有抽提物，一定程度阻碍了水分的进入，导致含水率普遍较低且吸水性差。

(3)由于大量水分的进入，节子缺陷木材的密度在吸水阶段与正常木材差异不明显，而在解吸阶段显著大于正常木材。对自变量质量与体积进行分析发现，缺陷木材质量变化率小于正常木材，体积膨胀率与正常木材差异不大。密度的差异是由于节子的质地构造不同，节子密度略大于树干密度。节子使导管、纤维等组织方向改变造成纹理不规则，各组织紧密相连，硬度较大。