李 濤， 鄒國(guó)政， 蔡家斌， 周定國(guó)

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210037）

新型木材氣體滲透性測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

李 濤， 鄒國(guó)政， 蔡家斌， 周定國(guó)

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210037）

當(dāng)前木材科學(xué)與工程專業(yè)科學(xué)研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中急需一套木材氣體滲透性測(cè)試裝置。在試驗(yàn)結(jié)果需客觀準(zhǔn)確的前提下，以操作過(guò)程簡(jiǎn)便易行為目標(biāo)，對(duì)試樣裝夾方法(試樣加工、夾具結(jié)構(gòu))以及夾具與測(cè)試系統(tǒng)的對(duì)接方式等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功應(yīng)用了金屬開(kāi)孔器，D、F型快速接頭等市場(chǎng)上常見(jiàn)的裝置和附件，開(kāi)發(fā)了一套可快速測(cè)定木材氣體滲透性的新型實(shí)驗(yàn)裝置。

木材;氣體滲透性;測(cè)試裝置

0 引言

木材滲透性是指氣體或液體在一定的壓力差條件下，通過(guò)木材內(nèi)部孔隙通道從其外部逐步滲透進(jìn)入內(nèi)部(或從內(nèi)到外)的能力，它是一項(xiàng)重要的木材物理性能指標(biāo)［1］。在木材防腐、阻燃、尺寸穩(wěn)定化處理中的液體浸注，以及木材干燥過(guò)程中的水分排除等諸多木材加工工藝中，亦或在其他諸如涂飾、制漿造紙等其他應(yīng)用領(lǐng)域，均需運(yùn)用木材氣/液體滲透性的理論和規(guī)律［2］。因此，木材滲透性尤其是木材氣體滲透性規(guī)律及其改善方法一直以來(lái)都是相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題［3-14］。同時(shí)，由于其理論價(jià)值和對(duì)木材工業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)性，它也一直是木材科學(xué)與工程專業(yè)本科及研究生理論教學(xué)中的要點(diǎn)和難點(diǎn)。為了加深學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，十分有必要將此項(xiàng)內(nèi)容納入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

1 同類裝置及問(wèn)題分析

市場(chǎng)上現(xiàn)有一種主要應(yīng)用于塑料薄膜包裝材料的滲透性測(cè)量?jī)x器，它的工作原理與木材滲透性測(cè)量理論相似，但其價(jià)格較高(10萬(wàn)元以上)，可以測(cè)試的試樣厚度小(≤3 mm)，對(duì)于質(zhì)地堅(jiān)硬的材料，裝夾、密封較為困難。目前，國(guó)內(nèi)外本專業(yè)相關(guān)教學(xué)科研單位多采用升水容積置換法木材氣體滲透性測(cè)試裝置［15］，如圖1所示。該套裝置管路使用的是易碎的玻璃器具，其中表征壓力差的載體是有劇毒的物質(zhì)-水銀，出于安全考慮，我校一直未將其應(yīng)用到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。另外，該裝置的管路直徑較小，試樣裝夾十分不便，同時(shí)也給橫紋方向、小直徑圓形截面的木材試樣加工制備帶來(lái)了較大的困難。以往對(duì)于橫紋試樣的測(cè)試，主要采用的是將易加工制備的方形試樣裝入圓形管路，然后用繩線纏繞系緊的辦法，使試樣側(cè)面達(dá)到密封的要求，然而這種密封性會(huì)隨著不同人、不同時(shí)間段的操作手法、力度不同，使實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性無(wú)法保證。

圖1 升水容積置換法木材氣體滲透性測(cè)試裝置

利用該裝置進(jìn)行測(cè)試，需要測(cè)量的物理量很多，最主要有:用碼表讀出測(cè)積管中水柱從啟動(dòng)真空泵開(kāi)始到上升到最高點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)間，與此同時(shí)還需立即測(cè)量出測(cè)積管中水柱上升的高度以及水銀差壓計(jì)中的兩邊水銀液面的高度差。另外，每測(cè)一個(gè)樣品前，都必須將測(cè)試裝置上部的壓力測(cè)量管路與下部的緩沖瓶分離，在塑料軟管中裝夾并密封試樣后，再將兩者重新結(jié)合并密封，以完成測(cè)試準(zhǔn)備工作?？傮w來(lái)講，這套裝置操作起來(lái)十分不便，一般每次實(shí)驗(yàn)至少需要2人相互配合，即使這樣，工作強(qiáng)度亦很大。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)制作了一套新型的木材氣體滲透性測(cè)試裝置。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整套測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中緩沖罐的功能是緩沖整套裝置內(nèi)的壓力波動(dòng)，使測(cè)試過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行，而過(guò)濾器則可以起到過(guò)濾空氣中的水汽及灰塵雜質(zhì)的作用。A、B為控制測(cè)試管路通斷的球閥，C為調(diào)節(jié)流過(guò)試樣氣體流量大小的針型閥。

圖2 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖

考慮到操作安全性問(wèn)題，同時(shí)也為了實(shí)現(xiàn)操作流程清晰明確、易于掌握，數(shù)據(jù)結(jié)果直觀易得的設(shè)計(jì)目標(biāo):在試樣兩側(cè)壓力及壓力差的表征上，選用了技術(shù)成熟、價(jià)格合理的精密真空表(量程0～－0.1 MPa，精度等級(jí)0.16級(jí)，最小分隔值250 Pa)及精密數(shù)顯差壓表(量程0～ －0.1 MPa，精度 0.05級(jí)，最小分隔值 10 Pa)代替水銀差壓計(jì);應(yīng)用微小流量型玻璃轉(zhuǎn)子氣體流量計(jì)(量程1.7 ～21.5 ml/min，準(zhǔn)確度2.5級(jí))測(cè)量流過(guò)試樣的氣體流量;連接上述儀表、設(shè)備以及閥門(mén)等配件的管路系統(tǒng)，使用的是聚氨酯氣動(dòng)軟管，并在與試樣夾具對(duì)接的位置預(yù)留了常用的螺紋接頭;設(shè)計(jì)加工制作了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)柜，以便將上述測(cè)試系統(tǒng)各部件安裝固定下來(lái)，如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部

3 試樣裝夾部分設(shè)計(jì)

試樣裝夾的密封性及可重復(fù)性的好壞，對(duì)于最終測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性起著至關(guān)重要的作用。橫紋方向的圓形試樣，由于待加工板材厚度方向尺寸較小，一般很難通過(guò)車床加工制備，若使用數(shù)控銑床進(jìn)行大批量加工，經(jīng)濟(jì)性則較差。筆者選用規(guī)格為38 mm的金屬開(kāi)孔器安裝在臺(tái)鉆上作為試樣的加工裝置，如圖4所示，鉆孔取芯，后期經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)纳肮馓幚?，即可完成試樣的制備工?試樣直徑為32.5 mm);試樣裝夾部分的管路則選擇透明性好、韌性佳(孔徑可適當(dāng)擴(kuò)張、管壁可適當(dāng)壓縮)的硅橡膠管，其正常狀態(tài)下的內(nèi)外徑大小分別為32、38 mm;圖5所示為壓力管路上常用的喉箍，其寬度為15 mm，能夾持36～39 mm外徑的管路，可通過(guò)套筒扳手緊固位于其上部的外六角螺母，從而使喉箍與硅橡膠管外壁緊密接觸，進(jìn)而保證試樣側(cè)面與硅橡膠管內(nèi)壁之間的密封性。同理，利用喉箍的緊固作用，在硅橡膠管的兩端安裝管外徑與硅橡膠管內(nèi)徑配套，一端呈寶塔型;另一端具有普通螺紋的寶塔接頭，螺紋的市售規(guī)格型號(hào)為DN25(3.3 cm)。

圖4 試樣加工

圖5 喉箍

圖6 F型快速接頭

4 測(cè)試系統(tǒng)與試樣夾具對(duì)接部位設(shè)計(jì)

相對(duì)于其他多孔透氣性材料，木材氣體滲透性變異極大［1］，為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，需要加大測(cè)試樣本的數(shù)量。因此在測(cè)試裝置數(shù)量有限的情況下，快捷地將試樣夾具與測(cè)試管路進(jìn)行對(duì)接，將是木材氣體滲透性測(cè)試在短課時(shí)、人數(shù)多、實(shí)驗(yàn)量大的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中順利開(kāi)展的有力保障?？焖俳宇^是一種不需要其他輔助工具，徒手即可實(shí)現(xiàn)管路連通或斷開(kāi)的接頭，已在燃?xì)?、輸油工程管道連接上大量應(yīng)用。本裝置設(shè)計(jì)首先通過(guò)變徑接頭將試樣夾具上的3.3 cm螺紋接頭進(jìn)行變換，使其與測(cè)試系統(tǒng)管路上預(yù)留的螺紋接頭規(guī)格相同，進(jìn)而在兩者的螺紋接頭上分別安裝F型(見(jiàn)圖6)和D型(見(jiàn)圖7)快速接頭，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)與試樣夾具的快速可靠對(duì)接。試樣裝夾及其與測(cè)試系統(tǒng)對(duì)接的過(guò)程如圖8、9所示。

5 測(cè)試步驟

(1)準(zhǔn)備工作。依次使用游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器測(cè)量試樣的直徑r和厚度h后，將試樣裝夾到夾具上;

(2)利用配套的陰陽(yáng)接頭使夾具與測(cè)試裝置快速對(duì)接，然后檢查確認(rèn)球閥B關(guān)閉并打開(kāi)球閥A，使緩沖罐僅與真空泵連通;

圖7 D型快速接頭

圖8 試樣裝夾過(guò)程

圖9 測(cè)試系統(tǒng)與試樣夾具對(duì)接過(guò)程

(3)打開(kāi)電源啟動(dòng)真空泵，將緩沖罐內(nèi)的絕對(duì)壓力降至0.01 MPa(即真空表示數(shù)為－0.09 MPa)后關(guān)閉電源及球閥A;

(4)打開(kāi)球閥B，使緩沖罐僅與試樣一側(cè)連通;

(5)調(diào)節(jié)針型閥C，待流量計(jì)示數(shù)穩(wěn)定后，立即分別讀出流量計(jì)、真空表及差壓表示數(shù);

(6)關(guān)閉球閥B，將夾具與測(cè)試裝置分離;

6 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于現(xiàn)有的升水容積置換法裝置，本文設(shè)計(jì)的新型木材氣體滲透性測(cè)試裝置密封性好、安全性高、讀數(shù)直觀、試樣裝夾操作方便、測(cè)試流程易于掌握。在開(kāi)展本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生可以利用測(cè)試前的排隊(duì)等待時(shí)間，完成安裝試樣、緊固喉箍等相對(duì)比較費(fèi)時(shí)的試樣裝夾工作，待上機(jī)測(cè)試時(shí)，只需把夾具的兩端與測(cè)試系統(tǒng)的接口快速對(duì)接即可，多人次連續(xù)測(cè)試時(shí)，時(shí)間安排合理、高效。

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Design of New Type Measurement Device for Wood Gas Permeability

LI Tao，ZOU Guo-zheng，CAI Jia-bin，ZHOU Ding-guo
(College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)

Nowadays，there are some lots research and experimental teaching needs for the testing of wood gas permeability in the major of wood science and technology.For To achieving achieve the goal of quick and simple operation，under the precondition of ensuring the reliability and comparability of the results，we adopted the key technologies such as the method of specimen clamping，including the wood sample preparation and，the clamp structure，and the installation pattern for attaching the clamp to the testing system were specially considered in the design process.The metal hole saw and type D and F quick coupling，which could be commonly got in the market，were successfully utilized in the development of this new kind of measurement device for gas permeability of wood.

wood;gas permeability;measurement instrument

S 781.35

A

1006－7167(2014)05－0058－04

2013－07－08

國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目(2011-4-12);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ13_0541);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目;南京林業(yè)大學(xué)自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備項(xiàng)目

李 濤(1982－)，男，安徽安慶人，實(shí)驗(yàn)師，在讀博士，主要從事木材干燥及木質(zhì)材料功能化改良的研究。

Tel.:13675142571;E-mail:litaocn0062@163.com

周定國(guó)(19 －)，男，教授，博士生導(dǎo)師。

Tel.:025-85427518;E-mail:dgzhou@njfu.edu.cn