CN108195737A - 一种木材气体渗透性分析测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种木材气体渗透性分析测试装置，涉及木材物理性能测试领域。采用正压力气体作为驱动源，在加压气源与待检木材试样之间放置减压阀和调压阀，控制试样上流高压端驱动压力。木材试样夹持装置确保渗透测试过程气密性，保证测试气流完全经由木材试样断面通过，夹持装置气流入口高压端固定，低压端气流出口为可滑动构件。木材试样夹持装置高压端装有高压端压力表，测定渗透性时，显示木材上游压力，低压端联通大气，在待检木材试样两端稳定的正压力差，因此流经木材试样的气流为稳态流动。低压端测定流出气体流量，根据气体渗透率计算方程式得到木材气体渗透性测量结果。本装置是一种稳态正压差木材气体渗透性测试装置，且测试过程简单便捷。
Description
技术领域
本发明属于木材物理性能测试领域，具体涉及一种木材气体渗透性分析测试装置。
背景技术
木材渗透性是木材重要的物理特性之一，木材科学研究与加工利用的很多方面都与其密切相关，尤其是木材干燥、木材浸渍增强、防腐处理、阻燃处理、制浆造纸过程的研究中，木材渗透性一直被作为重要参数[1]。由于木材树种多，并且具有各向异性特点，所以渗透性的测定与分析是木材物理研究领域长期工作重点[2-3]。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[4]。虽然人工林面积较大，但人工林一般多为一些生长速度快的速生树种，如杉木、杨木、桉树、马尾松等生产加工易出现干燥缺陷，同时这些木材尺寸稳定性差、渗透性差、强度低、材质轻软，生产中需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，渗透性分析都非常必要[5-6]。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材性较大差异，对其渗透性分析测定也十分必要[7-8]。
目前木材渗透性研究中采用的渗透性测试方法主要有3种类型，水上升容积置换法、水下降容积置换法以及转子流量计法。水上升容积置换法测定木材渗透性主要构件包括容积置换管(9)、水槽(10)、水银压差计(11)、真空泵接口(12)、待测试样安装位(13)。测试过程在位置(12)施加部分真空，气体从置换管中抽出，使得置换管中液面上升。记录容积置换管中置换水的体积、置换时间，利用水银压压力计记录压差，然后根据达西公式计算待测木材渗透性。水下降容积置换式木材渗透性测试法主要构件包括容积置换管(9)、水槽(10)、真空泵接口(12)、待测试样安装位(13)，适用于测试渗透性高的木材试样。水分最初被真空吸附到较高位置，关闭真空泵后，打开试样位置的阀门后，气体将流经试样进入测试管中，液面随之下降，记录压差及液面下降一定高度差所用的时间，然后根据达西公式计算待测木材渗透性[9]。转子流量计式渗透性测试法更为简单，将水下降式容积置换测试仪中的容积置换管换为转子流量计或者其他流量计即可[9]。
目前采用的木材渗透性测试方法主要存在以下问题：首先，渗透过程驱动力较小，由于测试过程是以抽真空的方式在木材试样两端产生压差，因此理论上驱动力最大为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，气体透过试样产生的流量小，流量的计量出现偏差，导致渗透率计算产生偏差；其次，试样测试过程密封性存在问题，为保证实验准确性，需确保气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气密性，特别是对于渗透性较差的木材，一部分气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；第三，水上升容积置换式、水下降容积置换式测试过程为非稳态渗透，这是因为容积置换管中的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，所以气体渗透木材过程实际为非稳态，利用达西公式计算渗透率默认以水柱高度变化均值为参考，从而造成测量偏差[9]。因此稳态、驱动压力可调节且气密性优良的新型木材渗透性分析测试仪设计是亟待解决的问题。
参考文献
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发明内容
本发明主要针对现有木材渗透性测试方法的不足，发明了一种驱动压力可调节的木材气体渗透性稳态测试法，与此同时保证了实验过程气密性。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：
一种木材气体渗透性分析测试装置，其特征在于：
采用氮气瓶或者压风机产生加压气体作为渗透性检测过程高压气源(1)驱动源，在气源与待检木材试样夹持器(7)之间放置减压阀(2)、三通连接器(3)、压力调节器(4)、高压端压力表(5)和环压力表(6)，木材试样夹持器进气端为高压端，木材夹持器出气端为低压端，与大气相通。三通连接器(3)一端和减压阀(2)相连，另一端分别连接压力调节器(4)和环压力表(6)，压力调节器(4)连接待检木材试样夹持器(7)；高压端压力表(5)显示木材试样夹持器(7)进气端压力；环压力表(6)显示待检木材试样夹持器(7)环压力；木材试样夹持器(7)低压端连接有流量计(8)；
木材试样夹持器包括高压端夹持头(7-1)、样品室(7-3)、环压力接口(7-4)、固定样品橡胶筒(7-5)、低压端夹持头(7-6)、调节螺杆(7-7)构成。样品室(7-3)、一端为高压端夹持头(7-1)，另一端为低压端夹持头(7-6)，样品室中段接口为环压力入口；高压端夹持头为固定设计，低压端夹持头为可活动组件，样品室(7-3)外围为固定样品橡胶筒(7-5)；低压端夹持头(7-6)的另一端为调节螺杆(7-7)；
样品室有3处接口，分别为测试气体高压端入口、测试气体低压端出口和环压力入口，测试气体高压端入口、低压端出口分别安装高压端夹持头和低压端夹持头，夹持头开有气流通道。
进一步，减压阀压力调节范围0.1MPa～2.0MPa，控制精度为设定压力的±0.2％；
应用所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1采用氮气瓶或者压风机产生加压气体作为渗透性检测过程高压气源(1)驱动源，在加压气源与待检木材试样夹持器(7)之间放置减压阀(2)、三通连接器(3)、压力调节器(4)、高压端压力表(5)和环压力表(6)，木材试样夹持器进气端为高压端，木材夹持器出气端为低压端，与大气相通。在待检木材试样两端建立压力差，以正压差驱动气体渗透待检木材试样，驱动正压差范围可调节。
1.2高压气体通过减压阀后，流经管线，进入三通连接器进口，三通连接器两个出口分别连接木材试样夹持器高压端压力调节器入口和样品室环压力入口；样品室中段接口为环压力入口，高压气体由此进入样品室，木材试样放置于固定样品橡胶筒内后一同放入样品室，橡胶筒两端分别连接高压端夹持头和低压端夹持头，高压气体进入样品室作用在橡胶筒上对待测木材试样形成包裹，测试气流均由木材试样通过。
1.3测定渗透性时，显示木材试样高压端压力，低压端联通大气，在试样两端形成稳定压力差，确保渗透性测试过程气流以稳态形式通过试样，以流量计(8)测定低压端出口流量，根据气体渗透率计算方程式得到木材渗透性测量结果。
进一步，压力调节器可对进入木材试样夹持器的驱动气体压力进行调节，调节范围为0.1～0.7MPa，调节精度为所调节压力的±0.2％；
进一步，记录待检试样夹持器高压端气体压力，低压端气体压力即大气压力，试验时室内温度，测定木材试样外观尺寸，包括木材试样长度、木材试样截面面积和气体流量，将以上数据带入如下木材气体渗透性计算公式：
上式中Kg为木材试样气体渗透率，P0为测试过程大气压，Q为通过木材试样气体流量，μ为气体的粘度，L为木材试样长度，A为木材试样截面面积，P1为高压端入口处气体压力。
进一步，低压夹持头为可活动组件，根据待测木材试样长度通过调节螺杆进行调整，可调范围20mm～80mm，可调范围即可测试木材试样长度，夹持头气流通道直径Φ2～3mm；
进一步，样品室中段接口为环压力入口，高压气体由此处进入样品室，通过高压气体压缩橡胶筒对待测木材试样形成严密包裹，保证气体渗透性检测过程气密性，环压力0.7MPa～2MPa，始终大于气体渗透性测试过程的驱动压力0.1MPa～0.7MPa。
附图说明
图1木材气体渗透性分析测试方法
图2木材试样夹持器
图3水上升容积置换法测定木材渗透性原理简图
图4水下降容积置换法测定木材渗透性原理简图
1高压气源，2减压阀，3三通连接器，4调压阀，5高压端压力表，6环压力表，7木材试样夹持器，8流量计，9容积置换管，10水槽，11水银压差计，12真空泵接口，13木材试样安放位置。
具体实施方式
一种木材气体渗透性分析测试方法，包括以下步骤：
(1)采用加压气体作为渗透性检测过程驱动源，以正压力驱动气体渗透待检木材试样。
a.加压气源可由氮气瓶或者压风机提供，采用加压气体作为渗透性检测过程驱动源，在加压气源与待检木材试样夹持装置之间放置减压阀与压力调节器，调节环压力(0.1MPa～2MPa)与夹持器进气端气体压力(0.1MPa～0.7MPa)；
b.高压气体通过减压阀减压后，流经管线，进入三通连接器进口，三通连接器两个出口分别连接待检试样夹持器高压端和环压力入口；
c.在木材试样夹持器入口前段安置压力调节器，可对渗透性测试过程驱动气体压力进行调节，调节精度为所显示压力数值的±0.2％；
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，以正压力驱动气体渗透待检木材试样；
(2)木材试样夹持器高压端夹持头、“O型”橡胶密封圈、样品室、环压力接口、固定样品橡胶筒、低压端夹持头、调节螺杆构成。
a.样品室为不锈钢加工而成，有3处接口，分别为测试气体高压端入口、测试气体低压端出口和环压力入口，测试气体高压端入口和低压端出口分别安装有高压端夹持头和低压端夹持头，夹持头上加工气体流动通道，直径Φ2-3mm；
b.样品室中段接口为环压力入口，高压气体由此进入样品室，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气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包裹，保证渗透性检测过程的气体均经由试样通过；
c.高压端夹持头固定，低压端夹持头为可活动组件，由连接低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整，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。
(3)测量待检木材试样夹持器高压端连有压力表，测定渗透性时，以此显示木材上流压力，低压端联通大气，以流量计测定低压端出口流量，根据气体渗透率计算方程式得到木材渗透性测量结果。
a.气体通过木材试样后经由低压端夹持头流出，通过流量计测定通过木材试样气体流量；
b.记录的待检试样夹持器高压端气体压力，低压端气体压力(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(试样长度、试样截面面积)，气体流量，将以上数据带入如下木材气体渗透性计算公式：
上式中Kg为木材试样气体渗透率，P0为测试过程大气压，Q为通过木材试样气体流量，μ为气体的粘度，L为木材试样长度，A为木材试样截面面积，P1为高压端入口处气体压力。
实施例1
辐射松常规窑干锯材纵向气体渗透性测定：利用取芯钻头钻取直径25mm木材纵向圆柱体试样，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42.00mm，试样直径25.00mm，因此试样横截面积A为491mm2；
拆下木材试样夹持器低压端堵头，取出样品腔中的固定样品橡胶套，将待测木材试样置于其中，然后将含有木材试样的橡胶筒放入样品室，橡胶筒两端分别与高压端堵头和低压端堵头相连，转动调节螺杆，使得高压端堵头、待测木材试样、低压端堵头接触；
开启气源开关(采用氮气瓶供气)，给木材渗透性测仪供气，调节减压阀，使得气体压力降至2MPa，打开环压加载控制开关，给木材试样夹持器加载环压力(2MPa)，压紧固定样品橡胶筒；
开启木材试样夹持器高压端堵头出进气开关，调节驱动压力调压阀，本次实验过程调节高压端压力P1为0.25MPa，试样低压端压力P0默认为大气压，0.1MPa；待压差表示数稳定后，记录透过木材的气体流量Q为1.990cm3/s，室温下氮气的气体粘度μ为0.017347mPa·s，根据木材气体渗透性计算公式：
计算获得辐射松木材纵向气体渗透性Kg为11.27mD；
实施例2
辐射松常规窑干锯材弦向气体渗透性测定：利用取芯钻头钻取直径25mm木材纵向圆柱体试样，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78.70mm，试样直径25.00mm，因此试样横截面积A为491mm2；
拆下木材试样夹持器低压端堵头，取出样品室中的固定样品橡胶套，将待测木材试样置于其中，然后将含有木材试样的橡胶筒放入样品室，橡胶筒两端分别与高压端堵头和低压端堵头相连，转动调节螺杆，使得高压端堵头、待测木材试样、低压端堵头接触；
开启气源开关(采用氮气瓶供气)，给木材渗透性测仪供气，调节减压阀，使得气体压力降至2MPa，打开环压加载控制开关，给木材试样夹持器加载环压力(2MPa)，压紧固定样品橡胶筒；
开启木材试样夹持器高压端堵头出进气开关，调节驱动压力调压阀，本次实验过程调节高压端压力P1为0.24MPa，试样低压端压力P0默认为大气压，0.1MPa；待压差表示数稳定后，记录透过木材的气体流量Q为0.414cm3/s，室温下氮气的气体粘度μ为0.017347mPa·s，根据木材气体渗透性计算公式：
计算获得辐射松木材纵向气体渗透性Kg为4.84mD；
实施例3
杉木常规窑干锯材纵向气体渗透性测定：利用取芯钻头钻取直径25mm木材纵向圆柱体试样，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20.70mm，试样直径24.70mm，因此试样横截面积A为479mm2；
拆下木材试样夹持器低压端堵头，取出样品室中的固定样品橡胶套，将待测木材试样置于其中，然后将含有木材试样的橡胶筒放入样品室，橡胶筒两端分别与高压端堵头和低压端堵头相连，转动调节螺杆，使得高压端堵头、待测木材试样、低压端堵头接触；
开启气源开关(采用氮气瓶供气)，给木材渗透性测仪供气，调节减压阀，使得气体压力降至2MPa，打开环压加载控制开关，给木材试样夹持器加载环压力(2MPa)，压紧固定样品橡胶筒；
开启木材试样夹持器高压端堵头出进气开关，调节驱动压力调压阀，本次实验过程调节高压端压力P1为0.20MPa，试样低压端压力P0默认为大气压，0.1MPa；待压差表示数稳定后，记录透过木材的气体流量Q为2.448cm3/s，室温下氮气的气体粘度μ为0.017347mPa·s，根据木材气体渗透性计算公式：
计算获得杉木木材纵向气体渗透性Kg为12.27mD；
实施例4
杉木常规窑干锯材弦向气体渗透性测定：利用取芯钻头钻取直径25mm木材纵向圆柱体试样，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20.20mm，试样直径25.00mm，因此试样横截面积A为491mm2；
拆下木材试样夹持器低压端堵头，取出样品室中的固定样品橡胶套，将待测木材试样置于其中，然后将含有木材试样的橡胶筒放入样品室，橡胶筒两端分别与高压端堵头和低压端堵头相连，转动调节螺杆，使得高压端堵头、待测木材试样、低压端堵头接触；
开启气源开关(采用氮气瓶供气)，给木材渗透性测仪供气，调节减压阀，使得气体压力降至2MPa，打开环压加载控制开关，给木材试样夹持器加载环压力(2MPa)，压紧固定样品橡胶筒；
开启木材试样夹持器高压端堵头出进气开关，调节驱动压力调压阀，本次实验过程调节高压端压力P1为0.24MPa，试样低压端压力P0默认为大气压，0.1MPa；待压差表示数稳定后，记录透过木材的气体流量Q为0.370cm3/s，室温下氮气的气体粘度μ为0.017347mPa·s，根据木材气体渗透性计算公式：
计算获得杉木木材纵向气体渗透性Kg为2.83mD。
本实施例测定了辐射松和杉木锯材气体渗透性，除了常规锯材，还可广泛用于树脂浸渍改性材、纳米粒子浸渍改性木材等一系列改性木材，实木地板、纤维板、刨花板等各类人造板及木制品的气体渗透性检测。
以上所述仅是本发明的举例实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，如改变渗透分析仪驱动压力差的大小，改变待测木材试样外观形态与尺寸大小，改变木材夹持装置的外观形态与尺寸大小等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种木材气体渗透性分析测试装置，其特征在于：
采用氮气瓶或者压风机产生加压气体作为渗透性检测过程高压气源(1)驱动源，在气源与待检木材试样夹持器(7)之间放置减压阀(2)、三通连接器(3)、压力调节器(4)、高压端压力表(5)和环压力表(6)，木材试样夹持器进气端为高压端，木材夹持器出气端为低压端，与大气相通。三通连接器(3)一端和减压阀(2)相连，另一端分别连接压力调节器(4)和环压力表(6)，压力调节器(4)连接待检木材试样夹持器(7)；高压端压力表(5)显示木材试样夹持器(7)进气端压力；环压力表(6)显示待检木材试样夹持器(7)环压力；木材试样夹持器(7)低压端连接有流量计(8)；
木材试样夹持器包括高压端夹持头(7-1)、样品室(7-3)、环压力接口(7-4)、固定样品橡胶筒(7-5)、低压端夹持头(7-6)、调节螺杆(7-7)构成。样品室(7-3)、一端为高压端夹持头(7-1)，另一端为低压端夹持头(7-6)，样品室中段接口为环压力入口；高压端夹持头为固定设计，低压端夹持头为可活动组件，样品室(7-3)外围为固定样品橡胶筒(7-5)；低压端夹持头(7-6)的另一端为调节螺杆(7-7)；
样品室有3处接口，分别为测试气体高压端入口、测试气体低压端出口和环压力入口，测试气体高压端入口、低压端出口分别安装高压端夹持头和低压端夹持头，夹持头开有气流通道。
2.根据权利要求1所述的木材渗透性分析测试装置，其特征在于，
高压气源与木材试样夹持器之间放置的减压阀，减压阀压力调节范围0.1MPa～2.0MPa，控制精度为设定压力的±0.2％。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
低压夹持头为可活动组件，可调范围20mm～80mm，夹持头气流通道直径Φ2～3mm。
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