三種因素對木材對流傳質的影響

張 尚，丁青峰，王德福

(蘇州昆侖綠建木結構科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 引言

傳質(Mass Transfer)是指由兩種及兩種以上的物質構成混合物的體系中，如果其中一種物質的濃度處處不同，則必發生由濃度大的地方向濃度小的地方遷移[1]。傳質從機理上可分為分子傳質(Molecular Mass Transfer)和對流傳質(Convective Mass Transfer)，對流傳質又分為自然和強制對流傳質。分子傳質的最基本的機理是分子擴散現象。對流傳質是指運動流體與固體表面之間發生質量傳遞的一種方式。自然對流傳質是指空氣中各部分的相對運動是因為濃度差或溫度差，所引起的變化所產生的變化。強制傳質是指由于外力推動而產生的傳質[2]。

對流傳質是沿混合物的體系界面運動的流體與界面發生的質交換[3]。當木材置于空氣中時，由于木材具有吸濕與解吸特征，故木材與空氣發生自然對流傳質。當木材與空氣發生傳質時表現為木材的含水率(Moisture content，MC)發生變化，因此木材的對流傳質可用木材平衡含水率(Equilibrium moisture content, EMC)來量化[4,5]。研究氣—固兩相的對流傳質[6]，必須要了解氣體流速，木材表面的性質，因為這是木材表面對流傳質中非常重要的因素。知道木材表面對流傳質的機理，掌握木材吸濕解吸的基本原理[7]。氣—固兩相的強制對流傳質不僅僅是對木材干燥情況具有研究意義，而且對木材的吸濕解吸出現的諸多問題的解釋和解決提供了強有力理論依據，同時對木材對流傳質進一步的研究打下堅實的理論基礎[8]。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

冷杉(fir)產地美國。依據國家標準GB/T1929-2009《木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法》加工后試件尺寸為(長×寬×厚)220 mm×20 mm×10 mm[9]，絕干密度441.2 kg/m3，絕干順紋抗彎靜曲強度和彈性模量分別為80 MPa和7900 MPa。

2.2 儀器設備

①數顯鼓風式電加熱干燥箱；②稱量天平(精度0.0001 g)；③Binder恒溫恒濕箱，濕度精度2.0%、溫度精度0.1 ℃；④SRT-1(F)型表面粗糙度測量儀；⑤費斯托臺式木工鋸機一臺，精度0.01 mm；⑥數顯游標卡尺一把，精度0.01 mm；⑦日本產KANOMAX加哥麥克斯風速測定儀一臺，精度±0.01 m/s。

2.3 實驗方法

用費斯托木工鋸機將冷杉試件加工為220 mm(長)×20 mm(寬)×10 mm(厚)的尺寸，將試件放置鼓風干燥箱至絕干狀態。將部分試件依次用目數為50、100、200、400、1000、2000的砂紙打磨。打磨后的實驗組試件與空白組試件根據國家標準GB/T12472-2003《產品幾何量技術規范(GPS)表面結構 輪廓法 木制件表面粗糙度參數及其數值》木制件表面粗糙度參數從輪廓算術平均偏差(Ra)和輪廓最大高度(Rz)選取[10]。

2.4 實驗設計

依據國家標準GB1931-2009《木材含水率測定方法》設計木材對流傳質實驗[11]。本實驗采用單因素控制變量法分別設計三種環境溫度(表1)、三種環境濕度(表2)、木材表面粗糙度則分為實驗組和空白組進行實驗(表3)。

表1 試驗環境溫度級別

表2 試驗相對濕度級別

表3 試件實際輪廓算術平均偏差(Ra)和輪廓最大高度(Rz)

2.5 實驗步驟

(1)啟動恒溫恒濕箱，調整恒溫恒濕箱參數(溫度、相對濕度和風速)至穩定。

(2)迅速測出試件的質量并記錄數據，把試件放入恒溫恒濕箱中。

(3)前2 h，每隔30 min測一次試件的質量并記錄數據；然后10 h，每隔1 h測一次試件的質量并記錄數據；之后每隔2 h測一次質量，連續測八次；最后每隔3 h測一次質量，直到試件的質量不在發生變化。

3 結果與分析

3.1 環境溫度對冷杉對流傳質的影響

由圖1可知，在不同環境溫度下試件的吸濕特性相似。木材的吸濕速率在剛開始段內迅速增加，而后增長緩慢，最后趨于相對平衡。在前30 h內盡管溫度不同但吸濕曲線卻趨于一致。但隨著時間的延長，溫度越高木材到平衡含水率的時間越短。在200 h，三組實驗的木材含水率均達到平衡。在15～35 ℃之間溫度越高平衡含水率越低，且達到平衡含水率的時間越短，其傳質隨溫度的升高而逐漸降低。

由于木材是多孔材料，在多孔材料中的孔洞往往非常微小，氣體的擴散與孔徑(或毛細管直徑)有關。不同的孔徑將發生不同的擴散機理，不同擴散類型是由小孔的幾何尺寸和平均自由程所決定的；擴散分為：①努森擴散；②分子擴散；③過渡擴散[3]。為了區別這三種擴散需要引入自由程，如公式(1)所示：

(1)

圖1 環境溫度對木材含水率的影響

式(1)中：λ表示分子自由程，P表示系統壓力，R表示通過氣體的常數，T表示系統溫度，π表示無因次量，gc常數=980gm×cm/(gforce×s2)，M表示分子量，μ表示粘度。

努森擴散是指平均自由程大于毛細管直徑多陪時的擴散，其計算式為:

(2)

分子擴散是指毛細管的直徑比自由程大得非常多的擴散，其計算式為:

(3)

式(3)中：表示NAA組元相對于固定坐標的凈摩爾通量，DAB表示二元擴散系數，α表示通量比因子等于(NA+NB)/NA。

過渡擴散是指自由程和毛細管直徑之比界于上述的努森擴散和分子擴散之間的擴散，其計算式為:

(4)

由上述的三個式子可知不管是努森擴散，分子擴散，過渡擴散其溫度都與凈摩爾通量成反比，所以導致環境溫度越高平衡含水率越低。

3.2 相對濕度對冷杉對流傳質的影響

由圖2可知，在不同相對濕度下試件的吸濕特性相似。木材的吸濕速率在剛開始段內迅速增加，而后吸濕速率增長緩慢，最后趨于相對平衡。產生上述現象的主要原因是試件表面水蒸氣濃度與環境水蒸氣濃度差異造成的，當試件表面水蒸氣濃度低于環境中水蒸氣濃度，環境中的水蒸氣與試件發生質交換，同時木材表層細胞壁吸附空氣中的水蒸氣并轉為吸著水，使木材含水率迅速的增加，直至與環境中的水蒸氣濃度相平衡為止。

圖2 相對濕度對木材含水率的影響

3.3 木材表面粗糙度對冷杉對流傳質的影響

圖3 木材表面粗糙度對木材含水率的影響

由圖3可得，木材表面粗糙度對木材含水率沒有較大的影響。其主要原因是木材平衡含水率跟環境溫度、相對濕度和風速有關，但只有當風速到達紊流時才會影響木材平衡含水率[6]。通過公式(5)可計算實驗是處于紊流狀態或者層流狀態。

(5)

式(5)中：Re為雷諾數，u為空氣流速m/s，L為試件特征長度，η為空氣的運動粘度，其值可從“空氣性質表”中根據空氣溫度所求得。計算可得本實驗處于層流狀態，而當風速在層流時風速的大小只會影響木材達到平衡含水率的時間。但當風速突破雷諾數時變為紊流這是木材的表面粗糙度將會影響氣—固界面從而影響木材的含水率。故在層流狀態時木材表面粗糙度不會影響木材平衡含水率，因此也不會影響對流傳質。

4 結論

(1)環境溫度(15～35 ℃)越高木材的對流傳質越小，且達到平衡含水率的時間越短，其對流傳質隨溫度的升高而逐漸降低。

(2)相對濕度(32%～98%)越高木材的對流傳質越大。

(3)在層流狀態下，木材表面粗糙度對木材的對流傳質沒有影響。