孙呵,龚翌之,燕韵天,李珊,付常青,常旬,陈太安*

(1. 西南林业大学材料科学与工程学院,昆明 650224;2. 厦门大学中国-东盟海洋学院,厦门 361101)

木材是具有多尺度孔隙结构的复杂毛细管系统,木材相互连通的细胞腔及纹孔构成了大毛细管系统,细胞壁内相互连通的微毛细管构成了微毛细管系统。针叶材大毛细管系统中的管胞和纹孔口直径分别为10～50 μm和0.02～4 μm,阔叶材大毛细管系统中导管直径为20～400 μm,而纹孔开口略小于针叶材[1],因此,大毛细管系统中组织的孔径多为微米级。而微毛细管系统主要在细胞壁中,其多由微纤丝间和纤丝间的孔隙组成,孔径多在介孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)范围,其中介孔又以2～10 nm为主。Shi等[2]研究发现,木材细胞壁中2 nm以下的微孔体积数倍于介孔体积。Nakatani等[3]研究发现,木质素中存在大量0.6 nm以下的孔隙,而纤维素和半纤维素中几乎没有发现此类孔隙。此外,大毛细管系统对水分束缚力很小,是自由水主要存在的地方,微毛细管系统内的微纳孔隙是结合水存在的主要位置,因此,无论是自由水还是结合水,均与木材孔隙结构密切相关。

不同相对湿度下,水分子进入细胞壁的机理并不一致。中低湿度(相对湿度<98%)下的吸湿性主要是木材中活性羟基等亲水性基团以范德瓦耳斯力与空气中的水蒸气结合形成氢键,进而生成单分子与多分子层水,因此,这部分水分主要与半纤维素和无定型区的纤维素活性羟基有关。然而,高相对湿度(相对湿度>98%)下的吸湿性与中低湿度下有较大不同,主要是由于大毛细管和微毛细管系统具有较高的孔隙率和内表面积。当内部的饱和蒸汽分压小于环境中的饱和蒸汽分压时,将会产生毛细管凝缩现象,且会在较小的高湿度范围显著提升含水率,但其仍属于吸湿性范畴,因此,高湿度下吸湿性以不同孔径范围的毛细管凝缩作用为主,与孔径直接相关[4]。此外,中低湿度和高湿度下的吸湿是逐渐过渡的,没有明显的界限[5],不同湿度下的单分子层吸附、多分子层吸附和毛细管凝缩等机理在各个湿度下共同作用进而提升吸湿性。在中低湿度下,Rautkari等[6]研究表明,热处理材的羟基可及性与平衡含水率关联较差,须有额外的机制来解释吸湿性的变化。……