木材含水率测定方法研究进展
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AI摘要
含水率是木材物理性质的重要特性参数，而木材在实际应用中受各种因素影响，其含水率处于动态变化状态。 外部因素影响木材的含水率。木材含水率的变化是一个动态复杂的过程
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含水率是木材物理性质的重要特性参数，而木材在实际应用中受各种因素影响，其含水率处于动态变化状态。
外部因素影响木材的含水率。木材含水率的变化是一个动态复杂的过程，木材表面水分通过扩散与外界进行传递，使木材一边蒸发水分，一边吸收水分。外界温度高，木材表面水分蒸发加快，外界水蒸气压力大时，木材从空气中吸收水分[1]。
内部因素影响木材的含水率。木材含水率在纤维饱和点(FSP)以上时，毛细管力、细胞腔膨胀产生的压力差以及温度差驱动水分发生迁移，当木材含水率在纤维饱和点以下时，水蒸气分压梯度和含水率梯度为主要驱动力，驱动力作用木材内部水分，使其从细胞壁的结合水蒸发成为水蒸气进入到细胞腔，通过细胞腔后被细胞壁的另外一侧重新吸收[2][3][4][5]。
木材含水率几乎与其所有的性质密切相关，因此，其测定具有重要实用价值。本文将重点围绕木材含水率测定方法的研究现状，从木材含水率的分类、测定方法及含水率对木材力学性能的影响机制三个方面进行分析，以期为木材资源能被更加科学合理地利用提供参考。
1 木材含水率
木材中水分的含量叫做含水率[6][7]。目前，针对木材结构，根据测定计算方法的不同，木材含水率可分为两种：平均含水率和分层含水率[8][9]。
1.1 平均含水率
木材的平均含水率为木材中水分的质量与木材绝干质量的百分比(%)[10]。木材含水率是影响木材物理性质的重要特性参数，其大小几乎与其所有的性质密切相关。国内外学者对木材含水率如何影响木材力学性能开展了大量研究，但是，前期关于含水率对木材性能影响的研究均建立在木材平均含水率的基础上[11][12]。而木材作为一种多孔有机高分子材料，其具有吸湿吸水性，其含水率随着周围环境的变化而改变，因而木材中水分分布往往处于一种不均匀的状态。
1.2 分层含水率
分层含水率为木材厚度方向上等厚奇数层的含水率[13],即将木材沿厚度方向均匀地分成若干层，然后分别对每层进行测定，并计算其含水率，最终得到木材的分层含水率[14]。平均含水率是表示木材整体的含水量，相比而言，分层含水率可以反应木材厚度方向上水分分布状态。
2 木材含水率的测定方法
目前，木材含水率的测定方法主要有以下13种：烘干法、真空干燥法、蒸馏法、卡尔费歇尔滴定法、电测法(电导法、电容法)、微波法、红外法、计算机断层扫描法、动态水分吸附技法、切片法、平头钻法、X射线法和核磁共振法。
2.1 平均含水率的测定方法
2.1.1 烘干法
按照国家标准《GB 1931-2009 木材含水率测定方法》的规定，将木材干燥至绝干，然后计算其含水率。
烘干法为木材含水率测定的基本方法，其限制较少，适用范围广。但该方法耗时较长，操作较为繁琐，不能快速测定木材含水率，在实验室或者特定的场所可以采用上述方法，在实际生产中不适用。另外，如木材中含有挥发性物质，且在干燥过程中有部分挥发，采用烘干法得到的木材含水率较实际结果会存在一定的误差。
和传统烘干法相比，快速失重法[15]是其改进方法，快速失重法的耗时大大缩短，能较好地满足实际生产的需要。
快速失重法采用极限烘干温度对木材进行加热，并采用高精度电子天平对被测木材的失重和干重进行测量，然后通过微机对数据进行处理，最后得到木材的含水率[16][17]。其次，极限烘干温度为不改变木材性质的最高温度，在此温度下对木材进行烘干，仅除去木材中的水分，其他组分无损失，或者损失非常少，不会影响最终的测量结果。另外，极限烘干温度可依据测量精度和测量时间在一定范围内进行选择，当测量精度要求较低时，可以选择更高的极限烘干温度，其可缩短测量时间。当测量精度要求较高时，可选择较低的极限烘干温度，但会增加测量时间。
2.1.2 真空干燥法
将被测木材放入处理装置内，密封后对木材进行加温，并将温度控制到所需要的温度，然后抽真空，使木材内的水分蒸发，最后称重和计算木材的含水率[18]。
采用真空干燥法测量木材含水率，木材中水分蒸发快，且采用的温度较低，其可避免温度过高引起木材中挥发性物质随水分蒸发发生损失，因而导致结果出现误差。但该方法较为复杂，且不适宜较大试样含水率的测定。
2.1.3 蒸馏法
将被测木材放入沸点高于100 ℃的溶剂中(该溶剂与水不相混)进行蒸馏，采用刻度试管接收馏出液，待溶剂与水分离后，读出下层水的容积，并计算木材试样的含水率[19][20][21]。
蒸馏法每次只能对数量很少的试样进行测定，且容易因读数不够精确引起误差。该方法适宜某些特殊木材的含水率测定，如油浸过的试材，含挥发性物质很多的试材，或者试样经过条件处理，其含水率差异不大。
2.1.4 卡尔费歇尔滴定法
卡尔·费歇尔滴定法是1935年由卡尔·费歇尔提出，其利用I2氧化S02时需要水分这一特性测定含水率[22]。为保证测定结果准确，需注意以下事项。(1)滴定管和滴定池等的密封性要好；(2)选择合适的试剂滴定度；(3)滴定时，搅拌要充分和均匀；(4)进样时，要防止注射器头受外界的污染；(5)试剂瓶进气口要安装干燥器，防止试剂吸收空气中的水分；(6)对试剂采取避光措施，确保试剂要纯且组成成分不能过量等，避免出现假终点现象；(7)试剂和滴定底液中有足够量的吡啶和甲醇；(8)被测定的试样中是否有能与试剂生成水的物质；(9)试样中是否含有能被碘还原的成分。卡尔·费歇尔滴定法测定木材含水率的准确性较高，但操作要求和费用也均较高，其应用较少。
2.1.5 电测法
电导式为根据木材的电阻率、介电常数、高频功率损失等电学性质与木材含水率的关系来测定水分[23]。其使用简单方便，操作迅速，适用于工业生产。目前，木材工业生产中普遍采用基于测量木材的电阻值的含水率测试仪，但该方法在工业应用过程中难以进行连续测试，且含水率在6%～30%的范围内时，才能实现较高精度的测定。另外，该方法不能对纤维、刨花及其板坯等松散物料进行测量，致使其使用范围受到较大限制。
电容式为根据被测木材电容变化来测定其含水率[24][25]。电容式的测定方法能连续测，且能较好地解决电阻式的测定方法在对松散物料，如纤维、刨花及其板坯等进行测量时存在的问题。何毅等研究发现[26],当刨花含水率在5%～25%范围内，含水率与电容值成指数关系；当刨花含水率在25%～150%范围内，含水率与电容值成线性关系。另外，被测物的堆积面积、堆积厚度对测量结果会有一定的影响，需加以修正。但当刨花的含水率在5%以下时，电容的变化不大，不适宜用电容法测定其含水率。
2.1.6 微波法
电磁波穿过木材试件时，受木材中水分的影响，电磁波的传播速度和波形均发生衰减以及产生极化松弛现象。微波法利用该原理，即利用电磁波穿过木材时电磁波被吸收的程度与含水率的关系，来进行测量。微波法不破坏木材，操作方便快捷，且结果稳定可靠。但受树种的影响，在测量过程中需根据密度划分相应的补偿值，即根据被测树种与密度选择相应修正档[27][28]。
2.1.7 红外法
利用被水吸收和不被水吸收两种波长的光，将其投射到被测木材试样上，并通过光电接收器把漫反射回来的光转换为电信号，然后求出各自比率[29][30]。
上述方法为双红外法，其可以消除由样品表面反射率变化而形成的外部干扰。但受样品的表面状态、颜色、组分等的影响，由于比较波长信号的变化而导致示值误差，为消除该误差，可以采用三色红外法，即采用一个被水吸收的波长和两个不易被水吸收的比较波长。三色红外法将比较波长信号求和，能互相抵消示值误差，从而能消除被测木材质地变化而引起的测量误差。
红外法可以连续测量，安装方便，测量精度高，适用性广，但该方法的测量价格较高。
2.1.8 计算机断层扫描法
计算机断层扫描法是一种基于X射线计算机断层扫描技术的快速检测方法，其利用木材含水率与木材CT值的函数关系，通过数学模型计算木材的含水率[31][32]。该方法无需制样，只需将木材置于CT机内就可对其含水率进行测定，且测定速度快，测量范围广，是一种高效、便捷的含水率测定方法，计算机断层扫描法存在一定的辐射，使用成本也较高。
2.1.9 动态水分吸附技法
动态水分吸附是一种利用重量原理来表征木材平衡含水率的新技术[33]。其可提供不同温度和较宽泛相对湿度范围，能实时、超灵敏、高精度监测样品在可控环境下的重量变化，可以记录样品重量随湿度和时间的变化，并在受控条件下短时间内获得木材水分数据，且数据重现性高。动态水分吸附技法因具有实时响应、高精度、高重复性等优点，其已成为木材平衡含水率测量的标准方法。
2.2 分层含水率的测定方法
2.2.1 切片法和平头钻法
传统的分层含水率测定方法主要有切片法和平头钻法。切片法为在木材厚度方向上，将其切成若干薄片，经过烘干后，测定每一薄片的含水率[34][35]。该方法适用面广，限制较少，但在制作试样过程和称量过程中，存在水分损失问题。平头钻法采用平头钻来钻取连续木材层，然后对每一个木材层进行烘干、称量和计算，最终得到木材的分层含水率[36]。和切片法相比，平头钻法能有效减少木材层水分损失，测量结果更为准确。
2.2.2 X射线法
因木材密度和含水率的不同，X射线穿过木材时，会发生相应的衰减。根据此原理，利用含水率试样和绝干试样图像的差异，可计算出木材的分层含水率[37][38][39]。
X射线法是一种无损检测法，不仅可以测试木材的分层含水率，还可以测试木材的平均含水率。其次，X射线法可以对木材含水率进行动态检测，是一种很好的含水率动态检测技术手段。X射线法测试速度快，测试范围大，无论是高含水率还是低含水率木材，通过该方法均能获得较为精确的测量结果，但测试费用却比较低。尽管X射线法测试精度高，但还存在一定误差，其原因如下，(1)仪器扫描时本身出现的误差；(2)试样尺寸不规范。另外需要注意的是X射线有辐射，对使用者存在一定的危险性，使用过程中一定要做好自我防护。
2.2.3 核磁共振法
核磁共振法利用电磁波作用于处于静磁场中的物质时，物质中的原子核会吸收电磁波的能量，一些原子核发生共振现象，射频电磁波被撤掉后，原子核会释放吸收的能量，产生核磁共振信号，对该信号进行分析，可得到物质结构中的物理属性和化学结构的信息，以木材水分子中的质子为探针，利用水分子中的氢原子核与外磁场作用时发生的性质变化来测量木材含水率[40]。核磁共振法不仅可以测定木材的平均含水率还可以测定木材的分层含水率。朱晓风等使用单边核磁共振法，利用表观横向弛豫时间(T2app)探究了樟子松木材的分层含水率，结果表明，该技术可以检测木材不同测量深度位置的含水率，为表征木材和水分的关系提供了新的途径。但通过分层含水率推算的总含水率与称重测得的含水率有一定差异。核磁共振法测量速度快，测量结果精度高，且对木材无破坏，但某些核磁共振设备对试样的尺寸有要求，测试费用昂贵，暂时不适宜实际生产应用。
3 含水率对力学性能的影响机制
木材是一种和人类生活息息相关的天然材料，其力学性能是直接影响其加工利用并决定其品质的重要因素之一。众所周知，木材力学性能与其测试时的含水率相关性很大。水分作为塑化介质，能进入纤维素非结晶区分子链之间使其产生膨胀，其次能引起细胞壁(木材的实际承载结构)主要化学组分发生玻璃化转变[41][42]。水分通过上述作用机制使木材由脆性材料变为黏滞材料，导致木材力学性能降低。
受限于测定方法的发展水平，目前含水率测定主要集中于木材宏观结构中的水分含量，且前期关于含水率与其力学性能关系的研究均建立在平均含水率的基础上。然而，木材含水率受到各种因素影响，其含量和分布状态对木材力学性能的影响机制，尤其是微观水平上水分的含量、状态和分布对木材力学性能的影响机制仍不清楚。
4 总结与展望
综上所述，用户可以根据实际使用情况，依据含水率测定不同技术的优缺点，确定相应的使用方法，以期得到一个比较准确的结果。尽管关于木材含水率测定的研究取得了很多有价值的成果，但仍需继续深入开展。针对目前的研究现状，未来可以从以下几个方面开展工作。
(1)研制使用范围更广，测量速度更快，测量精度更高，实时检测、记录水分动态变化情况，操作更加便捷，使用成本低，对人体和环境无损害的新型含水率测定设备；
(2)提高仪器分析水平，实现在微观水平上对含水率进行测定；
(3)进一步研究木材中水分分布及其存在状态，在细胞水平、分子水平上对水分含量、状态和分布进行表征；
(4)解析各尺度水分与木材宏观、微观力学性能的关系。