李 濤， 鄒國政， 蔡家斌， 周定國

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210037）

新型木材氣體滲透性測試裝置的設(shè)計(jì)

李 濤， 鄒國政， 蔡家斌， 周定國

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210037）

當(dāng)前木材科學(xué)與工程專業(yè)科學(xué)研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中急需一套木材氣體滲透性測試裝置。在試驗(yàn)結(jié)果需客觀準(zhǔn)確的前提下，以操作過程簡便易行為目標(biāo)，對(duì)試樣裝夾方法(試樣加工、夾具結(jié)構(gòu))以及夾具與測試系統(tǒng)的對(duì)接方式等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功應(yīng)用了金屬開孔器，D、F型快速接頭等市場上常見的裝置和附件，開發(fā)了一套可快速測定木材氣體滲透性的新型實(shí)驗(yàn)裝置。

木材;氣體滲透性;測試裝置

0 引言

木材滲透性是指氣體或液體在一定的壓力差條件下，通過木材內(nèi)部孔隙通道從其外部逐步滲透進(jìn)入內(nèi)部(或從內(nèi)到外)的能力，它是一項(xiàng)重要的木材物理性能指標(biāo)［1］。在木材防腐、阻燃、尺寸穩(wěn)定化處理中的液體浸注，以及木材干燥過程中的水分排除等諸多木材加工工藝中，亦或在其他諸如涂飾、制漿造紙等其他應(yīng)用領(lǐng)域，均需運(yùn)用木材氣/液體滲透性的理論和規(guī)律［2］。因此，木材滲透性尤其是木材氣體滲透性規(guī)律及其改善方法一直以來都是相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題［3-14］。同時(shí)，由于其理論價(jià)值和對(duì)木材工業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)性，它也一直是木材科學(xué)與工程專業(yè)本科及研究生理論教學(xué)中的要點(diǎn)和難點(diǎn)。為了加深學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，十分有必要將此項(xiàng)內(nèi)容納入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

1 同類裝置及問題分析

市場上現(xiàn)有一種主要應(yīng)用于塑料薄膜包裝材料的滲透性測量儀器，它的工作原理與木材滲透性測量理論相似，但其價(jià)格較高(10萬元以上)，可以測試的試樣厚度小(≤3 mm)，對(duì)于質(zhì)地堅(jiān)硬的材料，裝夾、密封較為困難。目前，國內(nèi)外本專業(yè)相關(guān)教學(xué)科研單位多采用升水容積置換法木材氣體滲透性測試裝置［15］，如圖1所示。該套裝置管路使用的是易碎的玻璃器具，其中表征壓力差的載體是有劇毒的物質(zhì)-水銀，出于安全考慮，我校一直未將其應(yīng)用到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。另外，該裝置的管路直徑較小，試樣裝夾十分不便，同時(shí)也給橫紋方向、小直徑圓形截面的木材試樣加工制備帶來了較大的困難。以往對(duì)于橫紋試樣的測試，主要采用的是將易加工制備的方形試樣裝入圓形管路，然后用繩線纏繞系緊的辦法，使試樣側(cè)面達(dá)到密封的要求，然而這種密封性會(huì)隨著不同人、不同時(shí)間段的操作手法、力度不同，使實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性無法保證。

圖1 升水容積置換法木材氣體滲透性測試裝置

利用該裝置進(jìn)行測試，需要測量的物理量很多，最主要有:用碼表讀出測積管中水柱從啟動(dòng)真空泵開始到上升到最高點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)間，與此同時(shí)還需立即測量出測積管中水柱上升的高度以及水銀差壓計(jì)中的兩邊水銀液面的高度差。另外，每測一個(gè)樣品前，都必須將測試裝置上部的壓力測量管路與下部的緩沖瓶分離，在塑料軟管中裝夾并密封試樣后，再將兩者重新結(jié)合并密封，以完成測試準(zhǔn)備工作?？傮w來講，這套裝置操作起來十分不便，一般每次實(shí)驗(yàn)至少需要2人相互配合，即使這樣，工作強(qiáng)度亦很大。

針對(duì)上述問題，筆者設(shè)計(jì)制作了一套新型的木材氣體滲透性測試裝置。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整套測試裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中緩沖罐的功能是緩沖整套裝置內(nèi)的壓力波動(dòng)，使測試過程平穩(wěn)進(jìn)行，而過濾器則可以起到過濾空氣中的水汽及灰塵雜質(zhì)的作用。A、B為控制測試管路通斷的球閥，C為調(diào)節(jié)流過試樣氣體流量大小的針型閥。

圖2 測試裝置結(jié)構(gòu)圖

考慮到操作安全性問題，同時(shí)也為了實(shí)現(xiàn)操作流程清晰明確、易于掌握，數(shù)據(jù)結(jié)果直觀易得的設(shè)計(jì)目標(biāo):在試樣兩側(cè)壓力及壓力差的表征上，選用了技術(shù)成熟、價(jià)格合理的精密真空表(量程0～－0.1 MPa，精度等級(jí)0.16級(jí)，最小分隔值250 Pa)及精密數(shù)顯差壓表(量程0～ －0.1 MPa，精度 0.05級(jí)，最小分隔值 10 Pa)代替水銀差壓計(jì);應(yīng)用微小流量型玻璃轉(zhuǎn)子氣體流量計(jì)(量程1.7 ～21.5 ml/min，準(zhǔn)確度2.5級(jí))測量流過試樣的氣體流量;連接上述儀表、設(shè)備以及閥門等配件的管路系統(tǒng)，使用的是聚氨酯氣動(dòng)軟管，并在與試樣夾具對(duì)接的位置預(yù)留了常用的螺紋接頭;設(shè)計(jì)加工制作了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)柜，以便將上述測試系統(tǒng)各部件安裝固定下來，如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)內(nèi)部

3 試樣裝夾部分設(shè)計(jì)

試樣裝夾的密封性及可重復(fù)性的好壞，對(duì)于最終測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性起著至關(guān)重要的作用。橫紋方向的圓形試樣，由于待加工板材厚度方向尺寸較小，一般很難通過車床加工制備，若使用數(shù)控銑床進(jìn)行大批量加工，經(jīng)濟(jì)性則較差。筆者選用規(guī)格為38 mm的金屬開孔器安裝在臺(tái)鉆上作為試樣的加工裝置，如圖4所示，鉆孔取芯，后期經(jīng)過適當(dāng)?shù)纳肮馓幚?，即可完成試樣的制備工?試樣直徑為32.5 mm);試樣裝夾部分的管路則選擇透明性好、韌性佳(孔徑可適當(dāng)擴(kuò)張、管壁可適當(dāng)壓縮)的硅橡膠管，其正常狀態(tài)下的內(nèi)外徑大小分別為32、38 mm;圖5所示為壓力管路上常用的喉箍，其寬度為15 mm，能夾持36～39 mm外徑的管路，可通過套筒扳手緊固位于其上部的外六角螺母，從而使喉箍與硅橡膠管外壁緊密接觸，進(jìn)而保證試樣側(cè)面與硅橡膠管內(nèi)壁之間的密封性。同理，利用喉箍的緊固作用，在硅橡膠管的兩端安裝管外徑與硅橡膠管內(nèi)徑配套，一端呈寶塔型;另一端具有普通螺紋的寶塔接頭，螺紋的市售規(guī)格型號(hào)為DN25(3.3 cm)。

圖4 試樣加工

圖5 喉箍

圖6 F型快速接頭

4 測試系統(tǒng)與試樣夾具對(duì)接部位設(shè)計(jì)

相對(duì)于其他多孔透氣性材料，木材氣體滲透性變異極大［1］，為了保證測試數(shù)據(jù)的有效性，需要加大測試樣本的數(shù)量。因此在測試裝置數(shù)量有限的情況下，快捷地將試樣夾具與測試管路進(jìn)行對(duì)接，將是木材氣體滲透性測試在短課時(shí)、人數(shù)多、實(shí)驗(yàn)量大的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中順利開展的有力保障?？焖俳宇^是一種不需要其他輔助工具，徒手即可實(shí)現(xiàn)管路連通或斷開的接頭，已在燃?xì)?、輸油工程管道連接上大量應(yīng)用。本裝置設(shè)計(jì)首先通過變徑接頭將試樣夾具上的3.3 cm螺紋接頭進(jìn)行變換，使其與測試系統(tǒng)管路上預(yù)留的螺紋接頭規(guī)格相同，進(jìn)而在兩者的螺紋接頭上分別安裝F型(見圖6)和D型(見圖7)快速接頭，從而實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)與試樣夾具的快速可靠對(duì)接。試樣裝夾及其與測試系統(tǒng)對(duì)接的過程如圖8、9所示。

5 測試步驟

(1)準(zhǔn)備工作。依次使用游標(biāo)卡尺和螺旋測微器測量試樣的直徑r和厚度h后，將試樣裝夾到夾具上;

(2)利用配套的陰陽接頭使夾具與測試裝置快速對(duì)接，然后檢查確認(rèn)球閥B關(guān)閉并打開球閥A，使緩沖罐僅與真空泵連通;

圖7 D型快速接頭

圖8 試樣裝夾過程

圖9 測試系統(tǒng)與試樣夾具對(duì)接過程

(3)打開電源啟動(dòng)真空泵，將緩沖罐內(nèi)的絕對(duì)壓力降至0.01 MPa(即真空表示數(shù)為－0.09 MPa)后關(guān)閉電源及球閥A;

(4)打開球閥B，使緩沖罐僅與試樣一側(cè)連通;

(5)調(diào)節(jié)針型閥C，待流量計(jì)示數(shù)穩(wěn)定后，立即分別讀出流量計(jì)、真空表及差壓表示數(shù);

(6)關(guān)閉球閥B，將夾具與測試裝置分離;

6 結(jié)語

相對(duì)于現(xiàn)有的升水容積置換法裝置，本文設(shè)計(jì)的新型木材氣體滲透性測試裝置密封性好、安全性高、讀數(shù)直觀、試樣裝夾操作方便、測試流程易于掌握。在開展本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生可以利用測試前的排隊(duì)等待時(shí)間，完成安裝試樣、緊固喉箍等相對(duì)比較費(fèi)時(shí)的試樣裝夾工作，待上機(jī)測試時(shí)，只需把夾具的兩端與測試系統(tǒng)的接口快速對(duì)接即可，多人次連續(xù)測試時(shí)，時(shí)間安排合理、高效。

［1］ 彭萬喜，李凱夫，張黨權(quán).木材滲透性研究的現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.木材工業(yè)，2004，18(5):8-10.

PENG Wan-xi，LI Kai-fu，ZHANG Dang-quan.Review of Research on Wood Permeability［J］.China Wood Industry，2004，18(5):8-10.

［2］ 侯祝強(qiáng)，莊作峰.木材流體滲透性研究的發(fā)展與趨勢(shì)［J］.世界林業(yè)研究，1999，12(1):33-37.

HOU Zhu-qiang， ZHUANG Zuo-feng. TheDevelopmentand Tendency in the Research on Fluid Permeability of Wood［J］.World Forestry Research，1999，12(1):33-37.

［3］ Taghiyari H R.Correlation between gas and liquid permeability in some nanosilver-impregnated and untreated hardwood［J］.Journal of Tropical Forest Science，2012，24(2):249-255.

［4］ RiceR W， d’Onofrio M. Longitudinalgas permeability measurements from eastern white pine，red spruce，and balsam fir［J］.Wood and Fiber Science，1996，28(3):301-308.

［5］ 侯祝強(qiáng)，費(fèi)本華，趙榮軍，等.流速與壓強(qiáng)對(duì)馬尾松木材氣體滲透性的影響［J］.林業(yè)科學(xué)，2009，45(2):98-104.

HOU Zhu-qiang，F(xiàn)EI Ben-hua，ZHAO Rong-jun，et al.Effect of flow rate and pressure difference on determination of air permeability of Masson pine［J］.Scientia Silvae Sinicae，2009，45(2):98-104.

［6］ 鮑甫成，呂建雄.中國重要樹種木材流體滲透性的研究［J］.林業(yè)科學(xué)，1992，28(3):237-246

BAO Fu-cheng，L Jian-xiong.A study on fluid permeability of important Chinese woods［J］.Scientia Silvae Sinicae，1992，28(3):237-246.

［7］ 李永峰，劉一星，王逢瑚，等.木材滲透性的控制因素及改善措施［J］.林業(yè)科學(xué)，2011，47(5):131-139.

LI Yong-feng，LIU Yi-xing，WANG Feng-hu，et al.Controlling Factors of Wood Permeability and Its Improving Measures［J］.Scientia Silvae Sinicae，2011，47(5):131-139.

［8］ Comstock G L.Longitudinal permeability of green eastern hemlock［J］.Forest Products Journal，1965，17(10):441-449.

［9］ 苗 平，張文靜.汽蒸處理對(duì)木材橫向滲透性的影響［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，33(2):99-103.

MIAO Ping，ZHANG Wen-jing.Effect of steaming treatment on transverse permeability of wood［J］.Journal of Nanjing Forestry University(Natural Science Edition)，2009，33(2):99-103.

［10］ Zhang Y，Cai L.Impact of heating speed on permeability of subalpine fir［J］.Wood Science and Technology，2008，42(3):241-250.

［11］ 陸步云.室外涂料對(duì)山毛櫸木材氣體滲透性的影響［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，30(1):1-4.

LU Bu-yun.Influence of Exterior Coating on the Air Permeability of Beech Substrate［J］.Journal of Nanjing Forestry University(Natural Science Edition)，2007，30(1):1-4.

［12］ 張耀麗，蔡力平，徐永吉.蒸汽爆破后毛果冷杉濕心材的滲透性分析［J］.林業(yè)科學(xué)，2007，43(9):53-56.

ZHANG Yao-li，CAI Li-ping，XU Yong-ji.Effects of permeability in sub-alpine fir wetwood by steam explosion［J］.Scientia Silvae Sinicae，2007，43(9):53-56.

［13］ 苗 平.馬尾松板材高溫干燥過程中的水分遷移及熱量傳遞［D］.南京，南京林業(yè)大學(xué)，2000.

［14］ 王曉敏.兩種常用速生闊葉材的滲透性及其改善的研究［D］.南京，南京林業(yè)大學(xué)，2010.

［15］ Siau J F.Transport processes in wood ［M］.Springer-Verlag，Berlin.1984.78-84.

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

國家林業(yè)局948項(xiàng)目(2011-4-12);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ13_0541);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目;南京林業(yè)大學(xué)自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備項(xiàng)目

李 濤(1982－)，男，安徽安慶人，實(shí)驗(yàn)師，在讀博士，主要從事木材干燥及木質(zhì)材料功能化改良的研究。

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

周定國(19 －)，男，教授，博士生導(dǎo)師。

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