CN109959577A

CN109959577A - 木材微观含水率的检测方法

Info

Publication number: CN109959577A
Application number: CN201910306393.1A
Authority: CN
Inventors: 郝晓峰; 李贤军; 吴义强; 吕建雄; 贺霞; 向瑶
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2019-07-02
Anticipated expiration: 2039-04-16
Also published as: CN109959577B

Abstract

本发明公开了一种木材微观含水率的检测方法，包括如下步骤：S1、制取木材样本，并测量计算木材样本的平均含水率和绝干密度；S2、计算木材样本中的水分的体积含量：S3、对木材样本进行全景扫描或拍摄，并生成含1个年轮的全视野数字化微观照片，然后将所得的微观照片平均分割成若干份，再筛选每份图片中的细胞腔面积并计算得到每份图片对应木材部位的孔隙率；S4、采用所得孔隙率数据拟合方程，获得木材年轮内孔隙率定量表征方程；S5、采用水分的体积含量与木材年轮孔隙率定量表征方程计算木材微观含水率，从而得到木材的微观含水率结果。本发明的方法适用性广、成本低、工艺步骤简单、快捷且能精确测量木材微观含水率。

Description

木材微观含水率的检测方法

技术领域

本发明涉及木材技术领域，尤其涉及一种木材微观含水率的检测方法。

背景技术

木材作为一种生物质吸湿材料，它的尺寸、密度、力学性能及电学性能都受到其含水量的影响。因此，木材与水分关系一直是木材科学研究领域的热点问题，随着新技术与新分析方法的出现，木材与水分关系的研究也从宏观的平均含水率逐渐过渡到微观含水率分布。微观含水率是指在一个年轮内早材至晚材的亚毫米级含水率，微观含水率对木材应用起着至关重要的作用，如在木材干燥领域，木材生长轮内部水分非均匀分布严重影响着木材干燥质量及干燥残余应力，制约着木材干燥技术发展；而在木材改性等技术领域，可以基于木材生长轮内水分非均匀分布这一生物质特征，结合微波及蒸汽爆破产生不同蒸气压破坏细胞纹孔膜及薄壁组织从而提高木材渗透性，为功能性改性剂顺利导入提供有效途径。因此，定量表征木材微观含水量分布具有重要理论及实践意义。

现在用于检测木材微观含水率方法主要有以下几种：(1)切片法，这种方法是传统的测量方法，即将木材试件切片后称重，烘至绝干后再称重，二者之差就是微观含水率。此种方法切片厚度影响着微观含水率分辨率。切片越薄，微观含水率分辨率越高，但切片越薄，切制过程中水分散失越大，误差越大，且测量方法较为繁琐、耗时长。(2)计算机断层扫描技术(CT)，此种方法微观含水率最大分辨率在0.5～1.5μm，利用x射线或γ射线扫描木材获得木材密度，绝干后再重新扫描，二者差值即可计算木材微观含水率。但木材低于纤维饱和点时，散失水分会产生体积干缩，CT扫描时绝干木材体积会发生变化，影响精度。(3)磁共振成像技术(MRI)，此种方法微观含水率最大分辨率在亚毫米级，利用核磁共振自由感应衰减信号(FID)与水分线性关系计算木材微观含水率，但该种方法在纤维饱和点以下时，水分子的性质与固体相似，吸附的水分于与木材紧密结合，弛豫时间T2变短，导致水分难以定量，且设备昂贵。(4)中子成像技术(NI)，此种方法微观含水率最大分辨率在30～50μm，利用热中子与水分子的氢核相互作用的散射和吸收截面较大来计算木材微观含水率，但该方法需要注意辐射安全问题。此外，磁共振成像技术和中子成像技术测量木材平均含水率，微观含水率则基于平均含水率进行推导得出，微观含水率精度不高。因此，迄今为止还没有一种简单、低成本、精度高的测量木材微观含水率的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种适用性广、成本低、工艺步骤简单、快捷且能精确测量木材微观含水率的检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

木材微观含水率的检测方法，包括如下步骤：

S1、制取木材样本，并测量计算木材样本的平均含水率和绝干密度；

S2、采用下式(1)计算木材样本中的水分的体积含量：

S＝3W_mρ_d/(3000-2ρ_d) (1)；

式(1)中，S是木材水分的体积含量(％)；W_m是木材平均含水率(％)；ρ_d是木材绝干密度(kg/m³)；

S3、对木材样本进行全景扫描或拍摄，并生成含1个年轮的全视野数字化微观照片，然后将所得的微观照片平均分割成若干份，再筛选每份图片中的细胞腔面积并计算得到每份图片对应木材部位的孔隙率；

S4、采用所得孔隙率数据拟合下式(2)中参数，获得木材年轮内孔隙率定量表征方程，

式(2)中，Φ是木材微观孔隙率；r是木材年轮宽度(mm)；c₀、c₁、c₂是结构参数；dr是年轮宽度微分；

S5、采用式(1)和拟合得到的孔隙率定量表征方程得到木材微观含水率的计算式(3)，并采用下式(3)计算木材微观含水率，从而得到木材的微观含水率结果，

上述的木材微观含水率的检测方法，优选地，所述步骤S3中，所述若干份为50～100份。

上述的木材微观含水率的检测方法，优选地，所述步骤S3中，先测量木材样本的年轮宽度，然后再对木材样本进行全景扫描及拍摄。

上述的木材微观含水率的检测方法，优选地，所述步骤S3中，选取木材样本的横切面来进行全景扫描或拍摄。

上述的木材微观含水率的检测方法，优选地，所述步骤S1中，木材样本的平均含水率和绝干密度采用烘干法测量计算得到。

上述的木材微观含水率的检测方法，优选地，所述采用烘干法测量计算木材样本的平均含水率和绝干密度包括：称取木材样本重量，然后采用烘干法于103±2℃温度下烘至绝干称重，计算得到木材样本的平均含水率，并测量木材样本的绝干体积，计算得到木材样本的绝干密度。

上述的木材微观含水率的检测方法，优选地，所述木材样本为寒温带生长的任意木材。

上述的木材微观含水率的检测方法，优选地，所述步骤S1中，所述木材样本的尺寸为径向5～12mm×弦向5～10mm×纵向5～10mm。

上述的木材微观含水率的检测方法，优选地，所述步骤S1中，采用数字切片扫描仪或体视显微镜对木材样本进行全景扫描及拍摄。

上述的木材微观含水率的检测方法，优选地，所述步骤S3中，所述筛选每份图片中细胞腔面积并计算得到每份图片对应木材部位的孔隙率的具体为：将含1个年轮的全视野数字化微观照片转换成黑白图像并经锐化，平均分割成若干份，得到的每份图片中黑色区域为细胞壁，白色区域为细胞腔，根据细胞壁和细胞腔的面积计算孔隙率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、由于现有的微观含水率测量方法测量的数据准确度均有待提高，且往往步骤复杂，工艺复杂，价格高昂。发明人经过大量研究发现，寒温带树木在一个年轮内微观孔隙率从早材至晚材存在一种非线性衰减规律，且树木在生长过程中每个年轮内微观孔隙率都在重复这一个规律，同时，木材本身是由各类细胞通过纹孔等构造组成纵横交错的连通管体系，基于虾吸现象和连通管原理，在高于纤维饱和点时，木材不同细胞腔内拥有相同的液面高度，但因其细胞腔体尺寸的不同而导致局部微观水分含量不同，因此，经分析得出，木材微观孔隙率与含水量存在着一定的数量关系，若想定量表征木材年轮内微观水分分布，则需要定量表征木材孔隙分布非线性衰减规律。在构建定量表征模型时需要选择一个合适表征元容积，表征元容积过大则包含大小不一的孔隙，取均值后孔隙率衰减规律被均匀化了，如木材的绝对含水率就是木材宏观上的平均含水率；而表征元容积过小孔隙率衰减规律波动太大，数据不够客观合理。在该重要发现的基础上，本发明通过多次模拟得到了一个能表征木材样本的孔隙率方程，创新地提出一种新的木材微观含水率的检测方法，先通过测量木材样本的平均含水率，然后获得样本中水分的体积含量，再测量木材的若干组微观孔隙率数据，并利用若干组数据进行数据模拟得到孔隙率方程中的各参数，从而得到计算孔隙率的具体方程，然后根据这些检测结果获得木材微观含水率的计算公式，采用这些步骤组成的完整工艺，能够精确快捷得获得微观含水率分布曲线。

2、本发明的检测方法快速便捷，能在3个小时内给出正确数据，是目前最为准确的测试方法，本发明的方法简单、无需操作人员进行大量复杂的工作、所用设备可简可繁、设备成本低廉，且得到的数据准确、可靠，可为木材干燥及微波爆破技术领域提供快速表征木材微观含水率数据，本发明的方法适用性广，可适用于寒温带所有木材。

附图说明

图1为实施例1中检测得到的杨木在一个年轮内的实测孔隙率、预测孔隙率和微观含水率分布曲线。

图2为实施例2中检测得到的杉木在一个年轮内的实测孔隙率、预测孔隙率和微观含水率分布曲线。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

木材微观含水率的检测方法，包括如下步骤：

S1、制取木材样本，测量计算木材样本的绝干密度和平均含水率；

S2、采用下式(1)计算木材样本中的水分的体积含量：

S＝3W_mρ_d/(3000-2ρ_d) (1)；

S3、对木材样本进行全景扫描及拍摄，将拍摄所得照片进行无缝拼接，生成含1个年轮的全视野数字化微观照片，进行退色(转换成黑白图像)锐化后，将所得的黑白微观照片平均分割成若干份，根据退色后的图片来设定色阈值，通过色阈值来判断每份图片中黑色和白色区域的面积，图片中黑色区域为细胞壁，白色区域为细胞腔，以此来筛选每份图片中细胞腔面积并计算其孔隙率；之所以选择一个年轮，是因为一个年轮内从早材到晚材有代表性和完整性，寒温带树木生长周期相似，每年部在重复着这一规律；

S4、利用孔隙率数据拟合下式(2)中参数，获得木材年轮内孔隙率定量表征方程；

本发明中，为了寻求不同定量孔隙率表征方程，选用了大量温寒带木材类型和样本进行了大量实验，在此基础，上探索11种方程的拟合优度，如表1所示，发现Boltzmann方程具有很高的拟合优度，因此最终选取了Boltzmann方程作为表征木材样本的孔隙率方程；

式(2)中，Φ是木材微观孔隙率；r是木材年轮宽度(mm)；dr为木材的年轮宽度微分值；c₀、c₁、c₂是结构参数；

表1 11种方程的杨木微观孔隙率拟合优度

S5、利用式(1)和木材年轮内孔隙率定量表征方程得到木材微观含水率的计算公式(3)，并采用下式(3)计算木材微观含水率，从而得到木材的微观含水率结果，

所述步骤S3中，所述若干份为50～100份，经过多次试验验证发现，划分的份数越多，微观含水率分辨率越高，但划分过多的份数时会导致表征元容积变小，孔隙率波动较大，当划分为50～100份时，有利于获得含微观水分辨率高且孔隙率波动较小的结果。

所述步骤S3中，先测量木材样本的年轮宽度，然后再对木材样本进行全景扫描及拍摄。测量年轮宽度目的是确保在制备木材样本时要至少包含一个完整年轮宽度。此外，木材在一个年轮宽度早材至晚材孔隙率呈衰减模式。在测量木材样本的年轮宽度时，利用解剖刀加工烘干木材样品的宽材面(即横切而)，制备试样时一般采用圆锯机，锯切表而不光滑，在微观放大时看不清楚细胞的壁层及腔体结构，所以选用解剂刀进行切割，让细胞表面光滑可以拍摄出清晰的微观照片。

所述步骤S1中，木材样本的平均含水率和绝干密度采用烘干法测量计算得到。

所述采用烘干法测量计算木材样本的平均含水率和绝干密度包括：称取木材样本重量，然后采用烘干法于103±2℃温度下烘至绝干称重，计算得到木材样本的平均含水率，并测量木材样本的绝干体积，计算得到木材样本的绝干密度。

所述步骤S1中，所述木材样本的尺寸为径向5～12mm×弦向5～10mm×纵向5～10mm。木材样本的径向尺寸确保制备试样时包含一个完整年轮。

所述步骤S3中，选取木材样本的横切面来进行全景扫描及拍摄。

所述步骤S1中，采用数字切片扫描仪或体视显微镜对试样进行全景扫描及拍摄。其中，采用数字切片扫描仪可以直接扫描一张完整年轮图片，不需要后期Photoshop拼接，但体视显微镜只能拍摄图片，需要人工进行无缝拼接。

所述木材样本为寒温带生长的任意木材。

所述步骤S3中，所述尤缝拼接采用Photoshop进行。

本发明的检测方法，确定了相应的快速测试工艺，能在3个小时内给出正确数据，是目前最为准确的测试方法。本发明具有以下优点：(1)所用设备可简可繁，设备成本低廉。(2)测量简单，无需操作人员进行大量复杂的工作，计算简便。(3)数据准确、可靠，可为木材干燥及微波爆破技术领域提供快速表征木材微观含水率数据。(4)适用于所有温寒带木材。

发明的检测方法在能够准确测量木材微观含水率后，不仅可以根据微观含水率分布梯度来划分木材干燥等级，实现木材精细化干燥，还能为微波爆破或者蒸汽爆破等木材预处理工艺提供优化基础；此外，还可以为所有需要水分微观分布的科学研究提供检测方法。

实施例1：

一种本发明的木材微观含水率的检测方法，包括如下步骤：

(1)将杨木木材制成10mm(径向)×5mm(弦向)×5mm(纵向)试样；

(2)称取试样重量后采用烘干法(103±2℃)烘至绝干称重，测量试样的绝干体积，计算得到杨木试样平均含水率52.06％，试样的绝干密度是400kg/m³；

(3)利用下式(1)，计算试样的水分的体积含量为28.40％；

S＝3W_mρ_d/(3000-2ρ_d) (1)

(4)利用解剖刀加工烘干试样宽材面(横切面)，年轮宽度约为10mm；

(5)利用数字切片扫描仪或体视显微镜对试杆进行全景扫描及拍摄；

(6)利用Photoshop将拍摄照片进行无缝拼接，生成一张含1个年轮的全视野数字化显微照片，进行退色(转换成黑白图像)锐化后，图片中黑色区域为细胞壁，白色区域为细胞腔，并将其平均切割成50份，筛选每份图片中细胞腔面积并计算其孔隙率；

(7)利用上述50组孔隙率数据拟合公式(2)，dr为杨木的年轮宽度微分值，得到其中参数c₀、c₁、c₂的具体值，进而获得杨木一个年轮内孔隙率的定量表征方程为式(4)：

φ(r)＝-259.2690+260.0691/(1+e^{(r-22.9135)/1.9905}) (4)，

采用的11种不同方程拟合优度如表2所示。

表2 11种方程的杨木微观孔隙率拟合优度

(8)利用下式计算杨木微观含水率，

通过公式(5)可计算得到杨木一个年轮内微观含水率，并制图得到微观含水率分布如图1所示。

实施例2：

一种本发明的木材微观含水率的检测方法，包括如下步骤：

(1)将杉木木材制成10mm(径向)×5mm(弦向)×5mm(纵向)试样；

(2)称取试样重量后采用烘干法(103±2℃)烘至绝干称重，测量试样的绝干体积，计算得到杉木试样平均含水率45.12％，试样的绝干密度为300kg/m³；

(3)利用公式(1)，计算杉木试样的水分体积含量为16.92％；

S＝3W_mρ_d/(3000-2ρ_d) (1)

(4)利用解剖刀加工烘干试样宽材面(横切面)，测量年轮宽度约为9mm；

(5)利用数字切片扫描仪或体视显微镜对试样进行全景扫描及拍摄；

(7)利用上述孔隙率数据拟合公式(2)中参数，dr为杨木的年轮宽度微分值，得到其中参数c₀、c₁、c₂的具体值，获得杉木一个年轮内孔隙率定量表征方程式如下式(6)，该式的拟合优度为0.95614，

φ(r)＝-851.6432+852.5528/(1+e^{(r-29.4973)/2.5484}) (6)，

(8)采用下式(7)计算杉木微观含水

通过上式计算可得到杉木一个年轮内微观含水率，并制图得到杉木一个年轮内微观含水率分布曲线如图2所示。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.木材微观含水率的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2、采用下式(1)计算木材样本中的水分的体积含量：

S＝3W_mρ_d/(3000-2ρ_d) (1)；

2.如权利要求1所述的木材微观含水率的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述若干份为50～100份。

3.如权利要求1所述的木材微观含水率的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，先测量木材样本的年轮宽度，然后再对木材样本进行全景扫描及拍摄。

4.如权利要求1～3任意一项所述的木材微观含水率的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，选取木材样本的横切而来进行全景扫描或拍摄。

5.如权利要求1～3任意一项所述的木材微观含水率的检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，木材杆本的平均含水率和绝干密度采用烘干法测量计算得到。

6.如权利要求5所述的木材微观含水率的检测方法，其特征在于，所述采用烘干法测量计算木材样本的平均含水率和绝干密度包括：称取木材样本重量，然后采用烘干法于103±2℃温度下烘至绝干称重，计算得到木材样本的平均含水率，并测量木材样本的绝干体积，计算得到木材样本的绝干密度。

7.如权利要求1～3任意一项所述的木材微观含水率的检测方法，其特征住于，所述木材样本为寒温带生长的任意木材。

8.如权利要求1～3任意一项所述的木材微观含水率的检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述木材样本的尺寸为径向5～12mm×弦向5～10mm×纵向5～10mm。

9.如权利要求1～3任意一项所述的木材微观含水率的检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用数字切片扫描仪或体视显微镜对木材样本进行全景扫描及拍摄。

10.如权利要求1～3任意一项所述的木材微观含水率的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述筛选每份图片中细胞腔面积并计算得到每份图片对应木材部位的孔隙率的具体为：将含1个年轮的全视野数字化微观照片转换成黑白图像并经锐化，平均分割成若干份，得到的每份图片中黑色区域为细胞壁，白色区域为细胞腔，根据细胞壁和细胞腔的面积计算孔隙率。