一种木材液体渗透性分析测试方法

技术领域

本发明属于木材物理性能测试领域，具体涉及一种木材液体渗透性分析测试方法。

背景技术

木材渗透性是木材重要的物理特性之一，一般根据渗透流体性质分为气体渗透性和液体渗透性。木材科学研究与加工利用的很多方面都与渗透性密切联系，尤其是木材液体渗透性，在木材干燥、木材浸渍增强、防腐处理、阻燃处理、制浆造纸过程的研究中一直被作为重要参数。由于木材树种多，并且具有各向异性特点，所以木材液体渗透性的测定与分析也一直是木材物理研究领域的研究重点。随着我国木材资源结构的调整，特别是随着2016年底国家全面停止全国天然林商业性采伐，人工速生林木材和国外进口木材用量占比越来越高。根据第八次全国森林资源清查结果，全国森林面积2.08亿公顷，森林覆盖率21.63％，其中人工林面积0.69亿公顷，蓄积量24.83亿立方米，森林面积和森林蓄积量分别位居世界第5位和第6位，人工林面积居世界首位。虽然人工林面积较大，但人工林一般种植的树种多为一些生长速度快的速生树种，如杉木、杨木、桉树、马尾松等，这些树种往往具有尺寸稳定性差、容易出现干燥缺陷、渗透性差、强度低、材质轻软等特点，生产中需要进行干燥处理，有的要进行浸渍改性增强处理，无论是干燥或浸渍改性前木材渗透性评价，还是处理材的二次干燥，木材液体渗透性的分析都非常必要。我国另一部分重要的木材来源——国外进口材则呈现树种和产地繁多，材性变异性大的特征，这些木材相较于国内传统用材有较大差异，对其液体渗透性分析测定也十分必要，可以为实际生产提供指导与参考。

目前木材液体渗透性研究中采用的测试装置的结构简图如图1所示，主要构件包括真空泵接口(1)、水银压差计(2)、抽真空阀门(3)、压差计阀门(4)、量筒(5)、液体流出阀门(6)、待测试样安装位(7)、液体流入阀门(8)、水槽(9)。测试过程中打开抽真空阀门(3)、压差计阀门(4)、液体流出阀门(6)、液体流入阀门(8)，在真空泵接口(1)处施加真空，记录量筒中水的体积、时间，利用水银压差计记录压差，然后利用达西公式计算待测木材试验液体渗透性。测试装置的原理、结构都较为简答，但是存在以下问题：

首先，液体渗透过程驱动力较小，由于液体渗透过程的主要驱动力为真空泵(水槽高度产生的液体重力很小)，因此待测试样两端的压差一般不超过1个单位大气压，对于渗透性较差的木材，1个单位大气压的压差较小，液体渗透试样产生的流量可能非常小，通过量筒计算一定时间内流量等过程都会产生偏差，对于难渗透木材可能无法进行测量；

其次，传统的液体渗透设备较为简陋、测试精度差，压差通过水银压差计读取，流量通过记录量筒内渗透液体的体积，并以秒表记录时间，以上操作均为人工完成，一位试验操作员要在这一过程中读取多个试验参数，人为误差、操作过程误差等都会对测试精度产生影响；

第三，试样测试过程密封性存在问题，为保证实验准确性，需确保液体均经由木材试样渗透，目前主要的试样密封方式为橡胶管包裹试样、橡胶管包裹试样后外层缠绕线材、橡胶管包裹试样后外层金属箍紧固、试样涂万能胶固定在管材内等，前三种方法很难保证密封性，特别是对于渗透性较差的木材，一部分液体很容易从木材试样与橡胶管之间泄露，万能胶密封试样降低了实验的可重复性，也更为复杂；

第四，传统的木材液体测试过程为非稳态渗透，这是因为利用真空泵抽真空过程压差不易控制，且随着液体渗透过程的进行，水槽中液面高度会发生改变，从而造成木材试样两端压力差发生改变，因此液体渗透木材过程实际为非稳态，利用达西公式计算渗透率也会造成测量偏差。因此液体渗透过程稳定且试样密封性优良的新型木材液体渗透性分析测试装置的设计是亟待解决的问题。

发明内容

本发明主要针对现有木材液体渗透性测试设备测试过程非稳态，量程小，测试过程试样密闭性差，结果误差大等缺点，发明了一种液体渗透过程液体渗透压差可较大范围调节的稳态法木材液体渗透性分析测试方法，与此同时保证了实验过程试样密封性。为渗透性差、渗透性变异性大的树种，以及人工改性增强后木材液体渗透性测定提供技术支持。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种木材液体渗透性分析测试方法装置，其结构简图如图2所示，包括以下步骤：

(1)采用平流泵驱动活塞容器中待测液体渗透木材试样，以正压力驱动液体渗透待检木材试样

a.采用平流泵驱动活塞容器中的待测液体渗透木材试样，在待检木材试样夹持装置两端放置阀门与压力传感器，平流泵可调整活塞容器中待测液体渗透木材试样过程流速，在木材试样两端形成压力差，木材试样夹持装置进液端为高压端，待检木材夹持装置出液端与大气相通，为低压端，以正压力驱动液体渗透待检木材试样，驱动压差可通过平流泵流量调节；

b.通过平流泵调节渗透木材试样的液体流量，平流泵推动活塞容器中活塞的运动，将活塞容器中待测液体驱动流入木材试样夹持装置样品室，渗透待测木材试样后，经由低压端排出试样夹持器，平流泵流量控制精度为0.01ml/min，运行过程流量可调范围：0.01～9.99ml/min，运行过程耐受压力范围：0～45MPa；

c.活塞容器的设计容积为1000ml，设计耐压70MPa，材质为316L不锈钢。平流泵与活塞容器之间，及活塞容器与木材试样夹持装置之间均采用管线连接作为液体流动路径，管线由不锈钢材质加工而成，管径Φ3mm，管线柔韧可蜷曲，设计耐压70MPa；

d.木材试样夹持器另一端与大气相通，为低压端，在待检木材试样两端建立压力差，以正压力驱动液体渗透待检木材试样；

(2)采用的待检木材试样夹持装置，结构如图3所示。

a.木材试样夹持装置可确保渗透测试过程密闭性，即渗透过程液体均由待检木材试样断面通过，木材试样夹持装置低压端固定，高压端为可滑动构件，可根据待检木材试样长度进行调节；

b.待检木材试样夹持装置包括样品室、高压端夹持头、低压端夹持头、固定样品橡胶筒(内径26mm)、调节螺杆；

c.样品室为316L不锈钢加工而成，有3处接口，分别为测试液体高压端入口、测试液体低压端出口和环压力入口，测试液体高压端入口、低压端出口分别安装有高压端夹持头和低压端夹持头，堵头上加工液体流动通道，直径2～3mm；

d.样品室中段接口为环压力入口，高压液体由此处进入样品室，木材试样放置于固定样品橡胶筒内后一同放入样品室，橡胶筒两头分别连接液体高压端夹持头和低压端夹持头，外加环压力对待测木材试样形成严密的包裹，保证液体渗透性检测过程的密闭性。环压力0～70MPa可调，由液压泵调控，实验测定过程中保持环压力始终大于液体渗透高压端压力2～3MPa，防止渗透液体从木材试样侧面泄露；

e.低压端夹持头为固定设计，开有液体流出孔，高压端夹持头为可活动组件，由连接高压端夹持头螺杆进行调节，可根据待测木材试样长度进行调证，可调范围20mm～80mm，可调范围也即可测试木材试样长度范围，待测木材试样为圆柱体，直径为25mm。

f.样品室外部设计安装有加热与保温单元，可在试验过程中调节设定温度，温度调节精度为0.1℃，温度调控范围为20℃-100℃。

(3)待检木材试样夹持装置高压端连接有高压端压力传感器，测定渗透性时，以此显示木材高压端压力，低压端联通大气并连接有低压端压力传感器，高压端和低压端压力传感器的精度均达到0.01MPa。平流泵显示液体渗透流量，根据液体渗透率计算方程式得到木材渗透性测量结果。

a.液体通过木材试样后经由低压端夹持头流出，液体流量大小可以通过平流泵设定与调节，流量控制精度为0.01ml/min；

b.记录的待检试样夹持器高压端液体压力，低压端液体压力即实验所在地大气压力，试验时室内温度，测定木材试样外观尺寸，液体流量，将以上数据带入如下木材液体渗透性计算公式：

上式中K为木材试样液体渗透率，P

附图说明

图1传统型木材液体渗透装置简图

1真空泵接口，2水银压差计，3抽真空阀门，4压差计阀门，5量筒，6液体出口阀门，7试样安装位置，8液体入口阀门，9水槽

图2本发明木材液体渗透性测试分析装置结构简图

11液压泵，12环压力阀门，13低压端压力传感器，14低压端阀门，15电子天平，16环压力传感器，17温度传感器，18加热与保温单元，19木材试样夹持装置，20高压端压力传感器，21高压端阀门，22活塞容器，23活塞容器入口端阀门，24平流泵，25渗透液体预热单元，26平流泵供液槽

图3木材试样夹持装置结构简图

31低压端夹持头，32样品腔，33橡胶套，34高压端夹持头，35调节螺杆

具体实施方式

实施例1

木材纵向液体渗透性测定：人工林杉木常规窑干锯材，利用取芯钻头钻取木材顺纹方向圆柱体试样，测试前利用游标卡尺测定木材试样外观尺寸，试样长度L为24.90mm，试样直径25.20mm，因此试样横截面积A为498.51mm

拆下图3中木材试样夹持器高压端夹持头(34)，取出样品腔(32)中的橡胶套(33)，将待测木材试样置于橡胶套(33)内，然后将含有木材试样的橡胶套(33)再次放入样品腔内，橡胶套一头与低压端夹持头(31)相连，另一端与高压端夹持头(34)相连，木材试样放置后，转动调节螺杆(35)，使得高压端夹持头(34)、待测木材试样、低压端夹持头(31)连接；

开启液压泵(11)开关给木材试样夹持器加载环压力，加载压力为2MPa，开启加热与保温单元(18)，设定试验温度为20℃；

开启木材试样夹持器高压端夹持头阀门，开启平流泵(24)，调节平流泵流速为0.5cm

20℃的水的粘度为1.005mPa·s，根据木材液体渗透性计算公式：

上式中K为木材试样液体渗透率，P

实施例2

木材径向液体渗透性测定：人工林杉木常规窑干锯材，利用取芯钻头钻取木材径向圆柱体试样，测试前利用游标卡尺测定木材试样外观尺寸，试样长度L为24.85mm，试样直径25.40mm，因此试样横截面积A为506.45mm

拆下图3中木材试样夹持器高压端夹持头(34)，取出样品腔(32)中的橡胶套(33)，将待测木材试样置于橡胶套(33)内，然后将含有木材试样的橡胶套(33)再次放入样品腔(32)内，橡胶套一头与低压端夹持头(31)相连，另一端与高压端夹持头(34)相连，木材试样放置后，转动调节螺杆(33)，使得高压端夹持头(34)、待测木材试样、低压端夹持头(31)连接；

开启液压泵(11)开关给木材试样夹持器加载环压力，加载压力为2MPa，开启加热与保温单元(18)，设定试验温度为20℃；

开启木材试样夹持器高压端夹持头阀门，开启平流泵(24)，调节平流泵流速为0.05cm

20℃的水的粘度为1.005mPa·s，根据木材液体渗透性计算公式：

上式中K为木材试样液体渗透率，P

实施例3

木材纵向液体渗透性测定：人工林杨木常规窑干锯材，利用取芯钻头钻取木材顺纹方向圆柱体试样，测试前利用游标卡尺测定木材试样外观尺寸，试样长度L为25.02mm，试样直径25.10mm，因此试样横截面积A为494.56mm

拆下图3中木材试样夹持器高压端夹持头(34)，取出样品腔(32)中的橡胶套(33)，将待测木材试样置于橡胶套(33)内，然后将含有木材试样的橡胶套(33)再次放入样品腔(32)内，橡胶套(33)一头与低压端夹持头(31)相连，另一端与高压端夹持头(34)相连，木材试样放置后，转动调节螺杆(35)，使得高压端夹持头(34)、待测木材试样、低压端夹持头(31)连接；

开启液压泵(11)开关给木材试样夹持器加载环压力，加载压力为2MPa，开启加热与保温单元(18)，设定试验温度为20℃；

开启木材试样夹持器高压端夹持头阀门，开启平流泵(24)，调节平流泵流速为0.5ml/min，开始液体渗透，木材试样夹持装置低压端出液稳定后读取试样两端压力，高压端压力为0.24MPa，试样低压端压力为0.1MPa，因此压差为0.14MPa；

20℃的水的粘度为1.005mPa·s，根据木材液体渗透性计算公式：

上式中K为木材试样液体渗透率，P

实施例4

木材纵向液体渗透性测定：人工林黑木相思常规窑干锯材，利用取芯钻头钻取木材顺纹方向圆柱体试样，测试前利用游标卡尺测定木材试样外观尺寸，试样长度L为25.02mm，试样直径26.50mm，因此试样横截面积A为551.26mm

拆下图3中木材试样夹持器高压端夹持头(34)，取出样品腔(32)中的橡胶套(33)，将待测木材试样置于橡胶套内(33)，然后将含有木材试样的橡胶套(33)再次放入样品腔内(32)，橡胶套(33)一头与低压端夹持头(31)相连，另一端与高压端夹持头(34)相连，木材试样放置后，转动调节螺杆(35)，使得高压端夹持头(34)、待测木材试样、低压端夹持头(31)连接；

开启液压泵(11)开关给木材试样夹持器加载环压力，加载压力为2MPa，开启加热与保温单元(18)，设定试验温度为20℃；

开启木材试样夹持器高压端夹持头阀门，开启平流泵(24)，调节平流泵流速为2.0cm

20℃的水的粘度为1.005mPa·s，根据木材液体渗透性计算公式：

上式中K为木材试样液体渗透率，P

实施例5

木材径向液体渗透性测定：人工林黑木相思常规窑干锯材，利用取芯钻头钻取木材径向圆柱体试样，测试前利用游标卡尺测定木材试样外观尺寸，试样长度L为25.02mm，试样直径26.40mm，因此试样横截面积A为547.11mm

拆下图3中木材试样夹持器高压端夹持头(34)，取出样品腔(32)中的橡胶套(33)，将待测木材试样置于橡胶套(33)内，然后将含有木材试样的橡胶套(33)再次放入样品腔(32)内，橡胶套一头与低压端夹持头(31)相连，另一端与高压端夹持头(34)相连，木材试样放置后，转动调节螺杆(35)，使得高压端夹持头(34)、待测木材试样、低压端夹持头(31)连接；

开启液压泵(11)开关给木材试样夹持器加载环压力，加载压力为21MPa，开启加热与保温单元，设定试验温度为20℃；

开启木材试样夹持器高压端夹持头阀门，开启平流泵(24)，调节平流泵流速为0.05cm

20℃的水的粘度为1.005mPa·s，根据木材液体渗透性计算公式：

上式中K为木材试样液体渗透率，P

实施例6

木材纵向液体渗透性测定：人工林火力楠常规窑干锯材，利用取芯钻头钻取木材顺纹方向圆柱体试样，测试前利用游标卡尺测定木材试样外观尺寸，试样长度L为25.02mm，试样直径26.70mm，因此试样横截面积A为559.62mm

拆下图3中木材试样夹持器高压端夹持头(34)，取出样品腔(32)中的橡胶套(33)，将待测木材试样置于橡胶套(33)内，然后将含有木材试样的橡胶套(33)再次放入样品腔(32)内，橡胶套(32)一头与低压端夹持头(31)相连，另一端与高压端夹持头(34)相连，木材试样放置后，转动调节螺杆(35)，使得高压端夹持头(34)、待测木材试样、低压端夹持头(31)连接；

开启液压泵(11)开关给木材试样夹持器加载环压力，加载压力为2MPa，开启加热与保温单元，设定试验温度为20℃；

开启木材试样夹持器高压端夹持头阀门，开启平流泵(24)，调节平流泵流速为1.0cm

20℃的水的粘度为1.005mPa·s，根据木材液体渗透性计算公式：

上式中K为木材试样液体渗透率，P

实施例7

木材径向液体渗透性测定：人工林火力楠常规窑干锯材，利用取芯钻头钻取木材径向圆柱体试样，测试前利用游标卡尺测定木材试样外观尺寸，试样长度L为25.00mm，试样直径26.10mm，因此试样横截面积A为534.75mm

拆下图3中木材试样夹持器高压端夹持头(34)，取出样品腔(32)中的橡胶套(33)，将待测木材试样置于橡胶套(33)内，然后将含有木材试样的橡胶套(33)再次放入样品腔(32)内，橡胶套(33)一头与低压端夹持头(31)相连，另一端与高压端夹持头(34)相连，木材试样放置后，转动调节螺杆(35)，使得高压端夹持头(34)、待测木材试样、低压端夹持头(31)连接；

开启液压泵(11)开关给木材试样夹持器加载环压力，加载压力为13MPa，开启加热与保温单元(18)，设定试验温度为20℃；

开启木材试样夹持器高压端夹持头阀门，开启平流泵(24)，调节平流泵流速为0.05cm

20℃的水的粘度为1.005mPa·s，根据木材液体渗透性计算公式：

上式中K为木材试样液体渗透率，P