木材或木材包装制品与塑料、金属、玻璃等包装物的最大差别是它对水的敏感,湿度是影响木材制品最普遍的因素。木材自空气中吸收水分的能力称为木材的吸湿性。它随环境的温度、空气的相对湿度而改变。当环境温度越低或湿度越大时,木材吸水能力也越强。如环境温度升高或空气的相对湿度降低时,则木材能向空气中散发水分,这种性质称为木材的放湿性。木材的吸湿和放湿过程是木材内部水分与空气中水分的平衡过程。当木材所含水分与周围空气的相对湿度达到平衡时,木材既不吸收水,也不散失水分。木材包装材料中与水分含量相关的概念如下。
1.相对含水率和绝对含水率
相对含水率是指木材中的含水质量与当时湿木质量的百分比。
绝对含水率是指木材中的含水质量与木材绝对干燥后质量的百分比。木材的绝对干燥质量是将木材置于温度为100℃~105℃的环境中,烘干至恒重时的质量。
相对含水率和绝对含水率是衡量木材湿度的一般指标。通常前者多用于实际工作中,后者用于木材技术指标的研究、检验和测试。
木材含水率是影响木材性能最主要的因素。为了准确地比较木材各项技术指标,规定以含水率为15%的木材技术指标为标准,称为标准含水率。一般新伐和水运、水储的木材,含水率常在35%以上;空气风干的木材含水率多为15%~20%;室内干燥的木材含水率常为8%~15%。
2.饱和含水率
木材在干燥过程中,内部水分逐渐向外输送。当全部自由水散失,细胞壁中仍充满着吸附水时,为木材含水量的临界点,一般称为纤维饱和点。这时木材的相对含水率称为饱和含水率。
纤维饱和点对木材的许多性能都有重要作用。当木材含水量小于饱和含水率时,其体积随含水量大小而增减,强度则随水分增加而降低;当含水量大于饱和含水率,水分增减并不影响木材的体积和强度。因此木材在纤维饱和点时,其机械强度最低。
木材的饱和含水率随树种而略有差异。当环境温度为20℃时,一般介于25%~35%,并随温度上升而降低,通常采用30%为其平均值。
3.平衡含水率
由于木材具有吸湿性和放湿性,在周围空气的蒸气压与木材表面的蒸气压相等的条件下,木材中水分达到吸收和散发的动态平衡时,这时的含水率称为平衡含水率。
使用中的木材平衡含水率都低于其纤维饱和点。由于木材具有吸湿性和放湿性,使木质制品的体积、强度随着周围空气的温度、湿度变化而变化,影响了制品的使用性能,甚至将制品破坏。因此,必须将木材进行干燥,达到使用环境的长年平均平衡含水率后,才能加工以减少环境空气的影响。
此外,还必须将木材的吸湿性降至最小。降低木材吸湿性的主要措施是在木材构件的外层涂以油漆等防水保护层,并须在一定时期内重新油漆,从而防止木材的吸湿作用。而绝大多数包装用木材难以用此法或无须此法。
4.木材的变形
水分在木材中的移动速度在不同方向上是不一致的,顺纤维方向最快,径向次之,弦向最慢。此外,还随着木材的致密度减小而增高。从木材构造上看,边材中的水分常比心材中的移动得快。木材在干燥过程中,各部分的干燥速度不同,而且木材细胞的体积又随着含水量的增减而胀缩,使木材各部分体积的变动很不一致,极易引起木材的变形,甚至由于应力的增长而开裂。
(1)干缩与湿胀。当木材的含水率低于纤维饱和点时,如水分(指吸附水)再有增减时,则细胞壁随之发生胀缩,从而引起木材体积的胀缩。一般厚壁细胞比薄壁细胞胀缩量大,坚密而重的细胞比松软而轻的细胞胀缩量大,细胞的横向比纵向胀缩量大。木材的夏材比春材胀缩量大,横纹方向比纵纹方向胀缩量大,弦向比径向胀缩量大。一般木材弦向的胀缩量介于6%~12%,径向的胀缩量介于3%~6%,纵向胀缩量很小,仅为0.1%。
木制品在使用中散失所含的水分,以致引起制品的不均匀收缩,使制品产生缺陷,所以用木材的干缩率来衡量其胀缩量。
一般情况下,木材的干缩或湿胀是不均匀的,尤其是厚大的木材更为显著。例如,含水率大于饱和含水率的厚大木材,在干燥过程中,木材表面干燥得快。当平均含水率还远高于饱和含水率时,表面含水率往往已低于饱和含水率,木材表面开始收缩产生内应力,处理不当就会发生开裂。即使在干燥处理结束时,总的干缩率仍低于薄小的木材。含水率在纤维饱和点以下时,木材吸水后体积膨胀。开始时膨胀速度较快,随后逐渐减慢,接近纤维饱和点时最慢。木材吸水后在各方向上的湿胀程度不与干缩一致,一般弦向为6%~13%,径向为3%~5%,顺纹方向为0.1%~0.8%,木材组分中因含有较多的戊糖,吸水后其膨胀能力较大,所以木材在蒸煮以后湿胀性可减小。
木材的干缩和湿胀过程恰恰相反,在理论上它们的胀缩变动量应该相同。但是,木材制品是在空气中使用的,在干缩过程中会产生物理、化学和力学的变化,使木材细胞变形。湿胀时虽然吸收了原来失去的水分,但也常常不能恢复到原来的尺寸。
为了使木制品在使用中不发生或尽可能减少、减小胀缩变化,须在加工前将木材干燥达到使用时环境的平均相对湿度状态。在湿度变化大的地区也可合理地使用宽度小的径向板材、纹理互相垂直的胶合板或适当采用容重轻、胀缩性小的木材。
(2)变形与翘曲。由于木材在干燥过程中,各部分干燥速度不同,各方向的干缩率也不相同,因此木材在干燥过程中极易变形。当变形严重时,木材即产生内应力而发生翘曲,甚至开裂。
木材的变形和翘曲受它原来的形状、厚薄、宽窄、年轮、纹理、部位、容重、树种及干燥速度的影响。通常木材的变形均向髓心和湿面方向突出,并向垂直木纹的方向翘曲,以致木制品的接合处松弛或凸起,甚至发生裂纹和开裂。
(3)开裂。当木材干燥不均匀时,在木材内部产生应力,一旦超过木材横纹拉伸强度时,则引起木材的开裂。即使木材或较厚锯材的强度还能抵抗其内力,暂时虽不致开裂,但在加工以后,由于其内应力的存在和产生的表面塑性变形,仍会引起锯材变形、翘曲或开裂。
为了避免收缩产生的开裂,必须在干燥木材时采用适当的措施,使木材均匀地干燥。在选用木材做木制品时,应尽可能采用胶合木、胶合板等代替木材,或采用容重轻、收缩性小的木材。
(4)容重。一般树种的木材相对密度变动不大,介于1.3~1.7之间,通常采用平均值1.5。干燥木材的容重平均为500kg/m³,所以木材孔隙率是很大的。
木材的容重随树种、树龄、生长条件、部位、孔隙率、含水率而改变,通常小于1000kg/m³。影响木材容重最主要的因素是含水率,通常以含水率为15%时的容重作标准,称为标准容重。
木材容重可以作为计算木材自重和运输重量的依据。容重的大小也可反映木材性质的变化,如果木材容重大,则强度大,涨缩也大。如果木材容重减轻,反映木材已经开始腐朽,容重减轻得越多,腐朽程度越重。