木材的渗透性研究自写论文_精品文档.doc
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木材的渗透性研究
摘要：
本文在综合分析大量文献的基础上,详细介绍了国内外木材渗透性研究领域中的主要理论和常用的木材结构模型,简述了学者们在木材渗透性研究取得的主要成果,并提出一些今后研究的方向和趋势。
关键词：
木材渗透性，理论，模型，影响因子，趋势
ReviewofResearchonWoodPermeability
Abstract:
Basedonanoverallanalysisoftheworldwideresearchonwoodpermeability,thispapersummarizedtheprimarytheoriesandmodelsforstudyingwoodpermeability.Theachievementsinthisareaofstudymadebytheresearcherswerealsoreviewed.
Keywords:
Woodpermeability，theory，model，Influencefactors，trend
前言
木材渗透性是描述气体或液体（统称“流体”）在木材中渗透难易程度的物理量，是木材的一个重要性质指标[1]。
流体在木材中的渗透主要有两个途径，其一是纹孔系统，其二是细胞壁毛细管系统。
木材渗透性研究主要包括：
探索木材流体渗透性的特点及其渗透机制，及寻求控制木材流体渗透性的方法，以便更好地为木材资源的充分利用、木材加工处理技术的进一步发展提供重要的理论依据。
在木材非机械加工处理过程中,无论将流体注入木材如防腐、阻燃、浸提、改性、油漆和染色处理,或将流体自木材内排出如木材干燥和真空处理,都与木材流体渗透性密切相关。
因此,深入研究木材的渗透性理论和改善难浸注木材渗透性的各种处理方法及其影响机理,一直被视为当今国际上木材流体关系研究领域的前沿课题。
本综述的目的是，综合分析国内外相关文献，从研究现状、影响因素及改善措施等方面入手，试图最清晰完整地呈现有关木材渗透性理论的研究成果，为今后的研究与应用提出建议。
1木材渗透的基本理论
木材是一种天然生长的多毛细孔材料，具有各种称之为毛细管的天然通道，某些流体在特定条件下可以流动于其中。
木材内流体的迁移可分为两大类。
第一类是质量流即流体在压力梯度或毛细压力梯度作用下，沿木材结构中空隙网络的移动。
流体在木材内质量流的强弱取决于木材的渗透性。
第二类是扩散，扩散有两种，气体之间的扩散（包括水蒸气在细胞腔空气中的扩散）和细胞壁里结合水的扩散。
流体在木材中的渗透有别于流体在木材中的扩散。
正如Siau教授[2]指出的那样，渗透是一种体流，是因静压力梯度或毛细管压力梯度作用出现在木材内部结构相互连通孔隙中流体的流动。
木材流体渗透性是木材的一个重要性质，木材加工处理如木材干燥、改性、防腐、胶粘、化学制浆等都与渗透性关。
1.1达西定律
流体凭借压力差，以稳定状态在木材中流动，一般遵循达西（Darcy）定律。
达西定律描述液体在木材以及其他多孔性固体内的稳态流动，通常用下式表示。
传导率=通量÷梯度公式1.1
在方程（l.1）中传导率实际上也就是渗透率。
达西定律应用于木材中还有许多假设和附加条件，其基本假设是:
1.流体流动是以粘滞流或层流方式进行的稳态流动，因此层流流速以及容积流速与所施加的压力差成正比;
2.液体是均匀的和不可压缩的;
3.多孔性固体是均匀的;
4.液体与多孔性固体之间不发生相互作用:
5.渗透性与试样在流动方向上的长度无关。
达西定律应用于木材中气体和液态水的移动时，在许多情况下与以上假设并不相符，尽管如此，用它作为表征流速和压力梯度之间关系的基本方程仍然是适用的。
木材对于不可压缩流体如液体达西定律可按下式表示:
kl=通量/梯度=（V/tA）/（△P/L）=QL/（A△P）公式1.2
其中，kl:
液体的渗透率（cm3液体/cmatms）;
V:
液体流过的体积（cm3）;
t:
该体积的液体通过木材所需的时间（s）;
Q:
液体的体积流量率（cm3/s）;
L:
液体流过的长度（cm）;
A:
液体流过的面积（cm2）;
△P:
试样两端的压力差（atm）。
从公式1.2显然可见，渗透率在数值上等于单位多孔性立方固体，在相对两面施加单位压力差时，液体移动的速度。
此方程适用于侧面对应平行及端面相互平行的试材。
达西定律应用于气体移动时，由于气体在试材里移动的过程中膨胀，所以压力梯度
和容积流速连续变化。
为了说明这一现象，取达西定律的微分形式:
kg=Q/（AdP/dL）或kgdP=QdL/A公式1.3
其中，kg:
表面气体渗透率（cm3气体/cmatms）;
L:
流动方向上的距离（cm）。
“表面气体渗透率”的概念是Klinkenberg（Seheidegger1974）首先提出的，它的依据是粘滞流和滑移流同时出现时，表面气体的渗透率通常大于液体的渗透率。
可以认为气体渗透率较高是努森扩散的特征。
理想气体由于压力降低而形成的等温膨胀，可按气体普适定律计算。
PV=nRT
其中，n：
气体克分子数，n=w/Mw，w：
质量（g），Mw：
克分子量（g/mol）;
R:
气体普适常数，R=8.31Xlo7erg/（molk）;
T:
绝对温度（K）;
p:
压力（dyne/cm2）;
V:
体积（cm3）。
由上式得
V=nRT/P
代入方程（1.3），kgPdP=（nRT/tA）dL
积分，
求积分并分解因式得，kg（P22-P12）/2=nRTL/tA
由于（P2+P1）/2=P（试样所承受压力的算术平均值），
P2-P1=△P（压力差），故对气体达西定律可用下式表示。
Kg=VLP/（tA△PP）=QLP/（A△PP）公式1.4
其中，P:
流量为Q时的压力。
1.2比渗透系数
不同的流体是以不同的流量率通过一定的多孔介质，但各自的特定流量率是其本身性质的函数。
粘流中决定流量率是流体粘度，于是达西定律中引进一粘度项和特定渗透的概念。
K=kη，公式1.5
K：
比渗透系数，darcy，cm3/cm，或m3/m；
η：
流体粘度，centipoises，dynes/cm2，或Ns/m2；
k：
渗透，cm3（fluid）/（cmatms），cm3（fluid）cm/（dynes），或m3（fluid）m/Ns.
将式1.2和式1.4分别乘以相应流体粘度（η），便可各自推导出适于任何一种液体或气体流过多孔材料的渗透性，并以达西作渗透性单位。
KL=QLη/（A△P）公式1.6
其中，KL：
液体的渗透性。
KG=QLPη/（A△PP）公式1.7
KG：
气体的渗透性。
1.3木材中的流体渗透理论及模型
木材流体渗透理论以Darcy定律为基本出发点，同时又根据木材流体渗透与Darcy定律的偏离，对Darcy定律的形式进行修正而建立起来的。
根据Darcy定律，流体体积流率（Q）和压力梯度（dp/dx）成正比，对一维流Q=K（dp/dx），式中K为渗透系数，它与流体特性及木材构造有关。
流体特性可由粘滞系数n描述，若令K=kη，则k（比渗透率）为一个与流体介质特性无关只与木材结构有关的量。
然而，当用液体和气体测量同一木材试件比渗透率时，却发现用气体测得的值总大于用液体测得的值。
由气体分子扩散理论知，当毛细管的直径小于气体分子平均自由程或处于同一数量级时出现分子滑流。
常温常压下，空气分子平均自由程约为0.1μm，而胞壁和纹孔膜上的微孔直径小于或处于这一数量级，故木材气体的渗透除粘性流外还有一个滑流分量，由此便导出了气体复合流Adzumi方程（1937）。
Klinkenberg（1991）应用Warburg滑流理论从Adzumi方程出发，得到木材气体渗透试验中常用的计算比渗透率的Klinkenberg公式：
kg=k（1+b）式中为测量过程中气体的平均压力。
由试验发现木材气体渗透系数随试件长度增加而减少，且渗透性越差的木材越明显。
Bramhall（1971）在实验结果的基础上，提出了木材纵向渗透有效截面衰减模型。
木材内气体纵向渗透经由许多互相不连通的通道进行，每一个通道由一系列细胞头尾连接而成，组成这些通道的细胞中某个可能被堵塞，通道越长堵塞的可能性就大，被堵塞的通道数目与通道的长度即试件长度成正比，这样便得到了木材中流体渗透截面从而渗透系数随长度作指数衰减的公式，即K=K0e-bL，式中K0为L→O时的渗透系数，L为试件长度。
Bolton改进了Bramhan的模型，认为各个通道间也部分相通，使之更符合木材结构的实际，改进后的理论公式计算结果与实验结果符合得更好。
木材细胞中多是长度与半径之比小于100的短毛细管，考虑到短毛细管中气体流动的末端效应即毛细管等效长度L’变大，要进行Couette修正L’=L+1.2r。
这里L为毛细管实际长度，r为毛细管半径。
短毛细管中滑流按Clausing因子减少，相应AdZumi方程中的滑流分量要乘上Clansing因子Kc，对于不同的L/r，Kc如下所示[3]:
Kc=1/（1+0.SL/r），L/r≤1.5，Kc=1/（1+0.375L/r），L/r>1.5。
无论是Darcy定律或与其等效的Hagan—Poiseuille方程，还是Adzumi方程都描述了体积流率（Q）与压强差（△p）间的线性关系。
但是，对于短毛细管来说，即使流体处于层流（粘性流）状态也会出现非线性流。
为了将渗透理论应用于结构复杂的木材，木材科学工作者提出了一些简化的木材结构模型，常用的有以下几种：
（1）均匀并联毛细管模型。
这是最简化的流体纵向渗透木材结构模型。
视木材内流体渗透路径由数目众多、大小均匀、互不相通且平行排列的毛细管所组成。
此模型适用于导管开口的环孔材流体纵向渗透，Smith和Lee使用该模型计算了几个阔叶材的纵向渗透系数，发现计算结果与实验值很符合[4]。
（2）Sebatian针叶材模型。
该模型可用于气体渗透。
对于针叶材不论气体纵向渗透还是横向渗透，都可看作为管胞腔流阻和纹孔膜微孔流阻的串联。
若纹孔膜微孔半径足够小，管胞腔流阻可忽略，则由Klinkenberg方程描述的渗透系数与平均压力倒数间的关系成线性。
Sebatian于1965年首先运用该模型研究白云杉木材结构特性[5]。
（3）Petty模型一流体纵向渗透的木材结构模型。
这是用于流体纵向渗透的木材结构模型。
理论分析和实验结果都表明木材内存在着流导值（流阻值）相差悬殊的两大类等效毛细管，如针叶材管胞腔与纹孔膜微孔（阔叶材导管腔与纹孔膜微孔），木材流导就是由许多个这样两种毛细管串联通道平行排列所构成，一个通道的流阻为:
1g=lgt+1gL这里gt为管胞或导管的流导，gL为纹孔膜微孔的流导，g为两流阻串联的等效流导，木材的渗透系数则为单位渗透截面所有通道等效流导的并联值。
该模型可用来说明渗透系数与平均压力倒数间的非线性关系;类似Sebatian模型，由渗透系数和平均压强倒数的曲线，得到这两个流阻值和它们所对应的等效毛细管半径和数量密度。
（4）Comstock针叶材模型[6]。
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