木材的滲透性研究(自寫論文)

木材的滲透性研究摘要：本文在綜合分析大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外木材滲透性研究領(lǐng)域中的主要理論和常用的木材結(jié)構(gòu)模型,簡(jiǎn)述了學(xué)者們?cè)谀静臐B透性研究取得的主要成果,并提出一些今后研究的方向和趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：木材滲透性，理論，模型，影響因子，趨勢(shì)ReviewofResearchonWoodPermeabilityAbstract:Basedonanoverallanalysisoftheworldwideresearchonwoodpermeability,thispapersummarizedtheprimarytheoriesandmodelsforstudyingwoodpermeability.Theachievementsinthisareaofstudymadebytheresearcherswerealsoreviewed.Keywords:Woodpermeability，theory，model，Influencefactors，trend前言木材滲透性是描述氣體或液體(統(tǒng)稱“流體”)在木材中滲透難易程度的物理量，是木材的一個(gè)重要性質(zhì)指標(biāo)[1]。流體在木材中的滲透主要有兩個(gè)途徑，其一是紋孔系統(tǒng)，其二是細(xì)胞壁毛細(xì)管系統(tǒng)。木材滲透性研究主要包括：探索木材流體滲透性的特點(diǎn)及其滲透機(jī)制，及尋求控制木材流體滲透性的方法，以便更好地為木材資源的充分利用、木材加工處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供重要的理論依據(jù)。在木材非機(jī)械加工處理過程中,無論將流體注入木材如防腐、阻燃、浸提、改性、油漆和染色處理,或?qū)⒘黧w自木材內(nèi)排出如木材干燥和真空處理,都與木材流體滲透性密切相關(guān)。因此,深入研究木材的滲透性理論和改善難浸注木材滲透性的各種處理方法及其影響機(jī)理,一直被視為當(dāng)今國(guó)際上木材流體關(guān)系研究領(lǐng)域的前沿課題。本綜述的目的是，綜合分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，從研究現(xiàn)狀、影響因素及改善措施等方面入手，試圖最清晰完整地呈現(xiàn)有關(guān)木材滲透性理論的研究成果，為今后的研究與應(yīng)用提出建議。木材滲透的基本理論木材是一種天然生長(zhǎng)的多毛細(xì)孔材料，具有各種稱之為毛細(xì)管的天然通道，某些流體在特定條件下可以流動(dòng)于其中。木材內(nèi)流體的遷移可分為兩大類。第一類是質(zhì)量流即流體在壓力梯度或毛細(xì)壓力梯度作用下，沿木材結(jié)構(gòu)中空隙網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)。流體在木材內(nèi)質(zhì)量流的強(qiáng)弱取決于木材的滲透性。第二類是擴(kuò)散，擴(kuò)散有兩種，氣體之間的擴(kuò)散(包括水蒸氣在細(xì)胞腔空氣中的擴(kuò)散)和細(xì)胞壁里結(jié)合水的擴(kuò)散。流體在木材中的滲透有別于流體在木材中的擴(kuò)散。正如Siau教授[2]指出的那樣，滲透是一種體流，是因靜壓力梯度或毛細(xì)管壓力梯度作用出現(xiàn)在木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互連通孔隙中流體的流動(dòng)。木材流體滲透性是木材的一個(gè)重要性質(zhì)，木材加工處理如木材干燥、改性、防腐、膠粘、化學(xué)制漿等都與滲透性關(guān)。1.1達(dá)西定律流體憑借壓力差，以穩(wěn)定狀態(tài)在木材中流動(dòng)，一般遵循達(dá)西(Darcy)定律。達(dá)西定律描述液體在木材以及其他多孔性固體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，通常用下式表示。傳導(dǎo)率=通量÷梯度公式1.1在方程(l.1)中傳導(dǎo)率實(shí)際上也就是滲透率。達(dá)西定律應(yīng)用于木材中還有許多假設(shè)和附加條件，其基本假設(shè)是:1.流體流動(dòng)是以粘滯流或?qū)恿鞣绞竭M(jìn)行的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，因此層流流速以及容積流速與所施加的壓力差成正比;2.液體是均勻的和不可壓縮的;3.多孔性固體是均勻的;4.液體與多孔性固體之間不發(fā)生相互作用:5.滲透性與試樣在流動(dòng)方向上的長(zhǎng)度無關(guān)。達(dá)西定律應(yīng)用于木材中氣體和液態(tài)水的移動(dòng)時(shí)，在許多情況下與以上假設(shè)并不相符，盡管如此，用它作為表征流速和壓力梯度之間關(guān)系的基本方程仍然是適用的。木材對(duì)于不可壓縮流體如液體達(dá)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:液體的滲透率(cm3液體/cmatms);V:液體流過的體積(cm3);t:該體積的液體通過木材所需的時(shí)間(s);Q:液體的體積流量率(cm3/s);L:液體流過的長(zhǎng)度(cm);A:液體流過的面積(cm2);△P:試樣兩端的壓力差(atm)。從公式1.2顯然可見，滲透率在數(shù)值上等于單位多孔性立方固體，在相對(duì)兩面施加單位壓力差時(shí)，液體移動(dòng)的速度。此方程適用于側(cè)面對(duì)應(yīng)平行及端面相互平行的試材。修正L’=L+1.2r。這里L(fēng)為毛細(xì)管實(shí)際長(zhǎng)度，r為毛細(xì)管半徑。短毛細(xì)管中滑流按Clausing因子減少，相應(yīng)AdZumi方程中的滑流分量要乘上Clansing因子Kc，對(duì)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。無論是Darcy定律或與其等效的Hagan—Poiseuille方程，還是Adzumi方程都描述了體積流率(Q)與壓強(qiáng)差(△p)間的線性關(guān)系。但是，對(duì)于短毛細(xì)管來說，即使流體處于層流(粘性流)狀態(tài)也會(huì)出現(xiàn)非線性流。為了將滲透理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的木材，木材科學(xué)工作者提出了一些簡(jiǎn)化的木材結(jié)構(gòu)模型，常用的有以下幾種：(1)均勻并聯(lián)毛細(xì)管模型。這是最簡(jiǎn)化的流體縱向滲透木材結(jié)構(gòu)模型。視木材內(nèi)流體滲透路徑由數(shù)目眾多、大小均勻、互不相通且平行排列的毛細(xì)管所組成。此模型適用于導(dǎo)管開口的環(huán)孔材流體縱向滲透，Smith和Lee使用該模型計(jì)算了幾個(gè)闊葉材的縱向滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值很符合[4]。(2)Sebatian針葉材模型。該模型可用于氣體滲透。對(duì)于針葉材不論氣體縱向滲透還是橫向滲透，都可看作為管胞腔流阻和紋孔膜微孔流阻的串聯(lián)。若紋孔膜微孔半徑足夠小，管胞腔流阻可忽略，則由Klinkenberg方程描述的滲透系數(shù)與平均壓力倒數(shù)間的關(guān)系成線性。Sebatian于1965年首先運(yùn)用該模型研究白云杉木材結(jié)構(gòu)特性[5]。(3)Petty模型一流體縱向滲透的木材結(jié)構(gòu)模型。這是用于流體縱向滲透的木材結(jié)構(gòu)模型。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明木材內(nèi)存在著流導(dǎo)值(流阻值)相差懸殊的兩大類等效毛細(xì)管，如針葉材管胞腔與紋孔膜微孔(闊葉材導(dǎo)管腔與紋孔膜微孔)，木材流導(dǎo)就是由許多個(gè)這樣兩種毛細(xì)管串聯(lián)通道平行排列所構(gòu)成，一個(gè)通道的流阻為:1g=lgt+1gL這里gt為管胞或?qū)Ч艿牧鲗?dǎo)，gL為紋孔膜微孔的流導(dǎo)，g為兩流阻串聯(lián)的等效流導(dǎo)，木材的滲透系數(shù)則為單位滲透截面所有通道等效流導(dǎo)的并聯(lián)值。該模型可用來說明滲透系數(shù)與平均壓力倒數(shù)間的非線性關(guān)系;類似Sebatian模型，由滲透系數(shù)和平均壓強(qiáng)倒數(shù)的曲線，得到這兩個(gè)流阻值和它們所對(duì)應(yīng)的等效毛細(xì)管半徑和數(shù)量密度。(4)Comstock針葉材模型[6]。針葉材中流體滲透基本上是通過連接管胞的具緣紋孔對(duì)進(jìn)行的。同理，紋孔膜微孔較管胞腔小很多，管胞腔對(duì)流體的阻力可忽略，流體滲透阻力全由紋孔膜微孔產(chǎn)生。Comstock假定紋孔全部位于管胞的徑面并集中在管胞兩端，并假定所有紋孔膜微孔大小相同;管胞端部均有兩個(gè)紋孔對(duì)將上下左右相鄰的管胞連通，一系列平行排列的成串管胞構(gòu)成木材滲透通道，連接相鄰管胞的紋孔對(duì)不僅是流體縱向滲透通道，也是流體橫向滲透通道，故這一模型適用于針葉材縱向滲透和橫向滲透。Comstock據(jù)此導(dǎo)出了針葉材縱向滲透系數(shù)與橫向滲透系數(shù)比值的關(guān)系式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近。(5)針葉樹材氣體滲透的三維流阻網(wǎng)絡(luò)模型。鮑甫成、侯祝強(qiáng)[33.34]根據(jù)針葉樹材管胞流阻和管胞在縱向、徑向、弦向的連接特性，建立了一個(gè)描述針葉樹材氣體滲透性的三維流阻網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算了針葉樹材氣體滲透系數(shù)，所得馬尾松木材氣體縱向、徑向、弦向滲透系數(shù)計(jì)算值與測(cè)量值十分吻合。在木材流體滲透性研究工作中，還采用直接實(shí)驗(yàn)觀察的方法研究木材流體滲透性，通常是將含有示蹤劑(彩色染料、銅、銀、碳、砷等金屬或非金屬離子)的流體滲透進(jìn)入木材試件，而后將木材試件切片制樣，用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡及其它成象設(shè)備觀察示蹤劑移動(dòng)和分布情況，了解掌握流體滲透的機(jī)理和規(guī)律。這種方法最突出的特點(diǎn)是極具直觀性。一方面可以直接觀察木材各構(gòu)造層次(粗視結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、超微觀結(jié)構(gòu))對(duì)流體滲透作用機(jī)制;另一方面可以通過對(duì)滲透過程開始到結(jié)束整個(gè)過程連續(xù)觀察，詳盡了解木材中流體滲透的全過程，據(jù)此驗(yàn)證與完善滲透理論和模型[3]。不過，這種方法不易于對(duì)木材流體滲透性作完整的定量描述。1.4木材中流體的形態(tài)[1、3、7]在外界壓力梯度下，流體于多孔介質(zhì)中可能發(fā)生的各種流動(dòng)包括:黏性流(線性)、紊流(湍流)、滑流及非線性層流也可能同時(shí)包含上述幾種流動(dòng)類型。1.4.1黏性流(線性層流)當(dāng)流體通過多孔介質(zhì)，其黏性力占主導(dǎo)地位時(shí)，流體成分靠彼此間質(zhì)點(diǎn)力相互跟隨，使流體流動(dòng)呈流線型。此時(shí)，流動(dòng)類型屬于黏性流或線性層流，流動(dòng)呈穩(wěn)態(tài)，遵循達(dá)西(Darcy)定律:流體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)的體積流速與能量損耗呈線性關(guān)系，與介質(zhì)長(zhǎng)度線性負(fù)相關(guān)，與穩(wěn)定傳導(dǎo)率呈比例關(guān)系。針對(duì)液體，達(dá)西定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:式中:Kl：多孔介質(zhì)對(duì)液體的比滲透率，m3·m-1;Q：體積流速，m3·s-1;L：流動(dòng)方向上樣品長(zhǎng)度，m;A：垂直流動(dòng)方向上樣品橫截面積，m3;ΔΡ為壓強(qiáng)差，Pa;μ：流體黏度，Pa·s。而對(duì)于可壓縮流體如氣體，達(dá)西定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以用Q(=PQ/P)代替Q，表示如下:式中:Kg：在真實(shí)氣體滲透性條件下的氣體比滲透率;P：流速Q(mào)可以被測(cè)量下的壓強(qiáng)，Pa;P為P1和P2的算術(shù)平均值，Pa;其他因素與方程(1)和(2)中對(duì)應(yīng)單位相同。根據(jù)方程(3)，氣體流速在恒定的平均壓強(qiáng)下與壓強(qiáng)降直接成比例，說明介質(zhì)的多孔結(jié)構(gòu)總是在流動(dòng)方向上保持不變，也即，滲透性不依賴于流向上的試件長(zhǎng)度。此外，在多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)的液體黏性流也能被Poiseuille方程精確描繪。其假設(shè)多孔介質(zhì)是由一束直的統(tǒng)一平行毛細(xì)管所組成，且每根毛細(xì)管都遵循Poiseuille定律，那么液體通過多孔介質(zhì)的黏性流可以表達(dá)為:而對(duì)于氣體，Poiseuille定律可以寫成:式中:N：統(tǒng)一平行直毛細(xì)管的數(shù)量;r：其半徑，m。Poiseuille方程和Darcy方程都是基于Navier-Stokes方程推導(dǎo)出來的，當(dāng)假設(shè)流體為穩(wěn)態(tài)，多孔介質(zhì)為平行直毛細(xì)管狀，流動(dòng)中忽略不計(jì)慣性力時(shí)，兩者可以描述流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，且是等價(jià)的。即:式中:n表示每單位橫截面積上的毛細(xì)管數(shù)量，m-2。式(7)表明:如果一流體流經(jīng)一多孔介質(zhì)時(shí)完全遵循達(dá)西定律，那么比滲透性不會(huì)被測(cè)量流體所影響。Darcy方程和Poiseuille方程均表明:在平均壓強(qiáng)下，流速Q(mào)和壓強(qiáng)降ΔP呈線性正相關(guān);針對(duì)氣體，表示比流速(QLP/ΔP)和平均壓力P間關(guān)系的直線應(yīng)該通過坐標(biāo)原點(diǎn)。1.4.2紊流(湍流)理論和試驗(yàn)均表明:對(duì)于平行于毛細(xì)管壁的高流速，流動(dòng)類型是瞬變的;且似乎存在一個(gè)“轉(zhuǎn)變點(diǎn)”，低于此時(shí)層流穩(wěn)定，高于此時(shí)層流很可能變得不穩(wěn)定，并且受輕微干擾時(shí)形成漩渦。這種包含漩渦的流動(dòng)常被稱為湍流(紊流)。對(duì)于層流存在于長(zhǎng)的平滑管或毛細(xì)管中的“轉(zhuǎn)變點(diǎn)”通常用雷諾數(shù)來界定:式中:P：流體密度，kg·m-3;v：直毛細(xì)管中的平均流速，m·s-1。當(dāng)在一長(zhǎng)直毛細(xì)管中的雷諾數(shù)超過2300時(shí)，發(fā)現(xiàn)流體中的層流減弱，漩渦或紊亂增加。因此，流體在長(zhǎng)直毛細(xì)管中的臨界雷諾數(shù)為2300，低于此，流體是完全黏滯性的。當(dāng)流體(液體或氣體)發(fā)生紊亂時(shí)，Poiseuille和Darcy定律不再有效，壓強(qiáng)降與流速的平方大致成比例。1.4.3滑流或努森(Knudsen)擴(kuò)散達(dá)西定律或它的等價(jià)Poiseuille定律的偏離不僅在高流速中發(fā)現(xiàn)(紊流)，也在由分子影響產(chǎn)生的低流速中發(fā)現(xiàn)。當(dāng)多孔介質(zhì)的毛細(xì)管尺寸比流體(尤指氣體)分子的平均自由程小或在相同級(jí)數(shù)時(shí)，即發(fā)生滑流現(xiàn)象。此時(shí)，分子－分子碰撞逐漸減弱，分子－毛細(xì)管壁碰撞增加。如果流體的平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)較毛細(xì)管半徑大，在流體中就不會(huì)出現(xiàn)黏滯流，因?yàn)榉肿觾H僅與毛細(xì)管壁碰撞，而非彼此碰撞。這種自由分子流動(dòng)事實(shí)上是一擴(kuò)散過程，被稱為努森擴(kuò)散。由于液體的平均自由程很小，故滑流多發(fā)生在氣體中。對(duì)于氣體在圓形毛細(xì)管中發(fā)生的滑流，可以用努森方程描述如下:式中:R：通用氣體常數(shù)(=8.314J·mol-1Κ-1);T：開爾文溫度;Mw：分子質(zhì)量，對(duì)于空氣而言，為0.029kg·mol-1;其他同上。另外，由氣體滑流發(fā)生的條件可知，滑流應(yīng)是氣體的平均自由程和毛細(xì)管半徑的函數(shù)。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)理論，氣體分子的平均自由程可以通過下式計(jì)算出來:式中:λ為平均自由程，m;其他同上。滑流發(fā)生的前提是氣體的平均自由程≥毛細(xì)管半徑，且氣體在毛細(xì)管中流動(dòng)的流速較低。另外，用努森方程表達(dá)滑流的前提是多孔介質(zhì)的通道為圓形毛細(xì)管。1.4.4非線性層流如上所述，用于描繪流體以穩(wěn)態(tài)黏性流形式通過多孔介質(zhì)的Poiseuille方程和Darcy定律，是在Navier-Stokes方程的慣性項(xiàng)被忽略的假設(shè)下得到的;但這僅僅對(duì)于直毛細(xì)管條件時(shí)是對(duì)的，而對(duì)于在曲線的毛細(xì)管或短毛細(xì)管—經(jīng)常出現(xiàn)在多孔介質(zhì)中的情形，由于動(dòng)能損耗影響和末端效應(yīng)影響都很明顯，慣性項(xiàng)變得越來越重要。引入慣性項(xiàng)的最終結(jié)果是在壓強(qiáng)降和流體速率間產(chǎn)生了一個(gè)不再是線性關(guān)系的關(guān)系，從而使得達(dá)西定律發(fā)生偏移。但無論如何，線性流仍然保持穩(wěn)定;更確切地說，它們不會(huì)波動(dòng)，只是一些穩(wěn)定的次級(jí)流動(dòng)或許出現(xiàn)在這種體系的較高流速中。這種在多孔介質(zhì)中由于動(dòng)能損耗和末端效應(yīng)影響引起達(dá)西定律偏移的流動(dòng)體系常被稱為非線性層流或穩(wěn)態(tài)慣性流。（11）對(duì)于流體在毛細(xì)管中流動(dòng)并伴隨發(fā)生非線性層流的描述，Barr(1931)提出了如下方程:（11）式中:ΔP：總驅(qū)動(dòng)力，Pa;ΔPf：由于摩擦引起的壓強(qiáng)降(線性流)，Pa;ΔPk：由于流體流動(dòng)橫截面積的突然收縮和擴(kuò)大引起的動(dòng)能損耗而產(chǎn)生的壓強(qiáng)降，Pa;ΔPe：由于入口形狀等情形引起的末端效應(yīng)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降，Pa;m是動(dòng)能和末端效應(yīng)的損耗系數(shù)(m=1.19)。方程(11)表明:由動(dòng)能損耗和末端效應(yīng)引起的壓強(qiáng)降與流體流速的平方成比例;而湍流條件下，壓強(qiáng)降與流體流速的平方也大致成比例。故按照此種方式，很難通過測(cè)量這兩者間的數(shù)量關(guān)系，將由動(dòng)能效應(yīng)和末端效應(yīng)引起的非線性層流與湍流區(qū)分開來。1.5木材中流體的主要通道[1]眾所周知，具有非常復(fù)雜和不均勻結(jié)構(gòu)的木材被認(rèn)為是加固有序的介質(zhì)。它具有類似串并聯(lián)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的高度多孔結(jié)構(gòu)，但并非是完全可滲透的材料。根據(jù)Poiseuille方程，流體主要被串并聯(lián)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)中串聯(lián)的最小路徑和并聯(lián)的最大路徑所控制。因此，流體在木材的流動(dòng)取決于木材的解剖結(jié)構(gòu)。對(duì)于針葉材而言，軸向管胞是其主要結(jié)構(gòu)因子(占總體積的90%～93%)，彼此間通過紋孔對(duì)相互連接，故可以大致認(rèn)為針葉材的主要流通通道為流體從軸向管胞經(jīng)過具緣紋孔對(duì)到下一個(gè)緊連的軸向管胞。闊葉樹木材比針葉樹木材結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，因?yàn)樗慕M分組成了更多的細(xì)胞類型，其主要的是軸向輸導(dǎo)組織包含導(dǎo)管(55%)和纖維(26%)。纖維通常少紋孔，具厚壁;而導(dǎo)管分子主要通過開放的穿孔板連通。另外，導(dǎo)管腔中的甲基纖維素、其他的堆積物也很大程度上控制著流體的滲透。因此，可以構(gòu)建一個(gè)歸納的闊葉樹木材流體流通通道:導(dǎo)管是闊葉樹木材中最主要的開放流通通道，流體通過導(dǎo)管并經(jīng)末端穿孔板到達(dá)下一個(gè)導(dǎo)管，除非它們被甲基纖維素或其他沉積物堵塞—此時(shí)，流體會(huì)從導(dǎo)管流向軸向薄壁組織、木纖維和木射線?？傊樔~樹木材的主要流通通道為彼此間通過紋孔對(duì)相互連通的管胞;闊葉樹木材為彼此間通過穿孔板相互連通的導(dǎo)管。它們縱橫向彼此連通，被統(tǒng)一視作串并聯(lián)毛細(xì)管，共同組成了流體在木材內(nèi)流入、經(jīng)過和流出的主要通道。這種流體在木材真實(shí)毛細(xì)管中的流動(dòng)或許可以被近似認(rèn)為流體在串并聯(lián)玻璃毛細(xì)管中流動(dòng)的組合。1.6木材滲透試驗(yàn)方法應(yīng)用上述理論研究木材流體滲透性時(shí)，主要以流體(氣體或液體)滲透系數(shù)、液體滲透深度、液體滲透量及液體滲透均勻性為衡量指標(biāo)。測(cè)量滲透系數(shù)的主要方法有吸水沉降法、氣流法和液流法;氣流法又分水上升置換法、水下降置換法和轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定法;液流法分靜壓力下液體滲透性測(cè)量法和高壓力下液體滲透性測(cè)量法。此外，還常采用直接試驗(yàn)觀察的方法研究木材流體滲透性。液體滲透木材的效果如滲透深度、滲透量及滲透均勻性等常采用重量法、圖形分析法、SEM-EDX法、顯色法、原子示蹤法、FTIR紅外光譜法、CT、核磁共振法及在線實(shí)時(shí)檢測(cè)法等測(cè)定[1]。這些方法的優(yōu)點(diǎn)是快速、方便、直觀，但不能完整地定量描述。2木材滲透性的影響因素木材的滲透性主要涉及三個(gè)方面，即木材、流體（或滲透介質(zhì)）以及外在條件，正是這3方面的聯(lián)合作用決定了木材的流體可滲透程度。故控制和影響木材流體滲透性的因子必然與此三者有關(guān)。具體說來，木材滲透性因下列因素而有所區(qū)別，包括：木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（紋孔的位置、大小、數(shù)量、開閉及有無覆被物，木射線與水平樹脂道，超微結(jié)構(gòu)等），抽提物和樹脂，含水率，微生物，干燥方式，內(nèi)外壓力差，電場(chǎng)，等。其中，最主要的影響因素是木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。2.1木材結(jié)構(gòu)影響滲透性的因子很多，有些因子的影響在一定程度上可以通過構(gòu)造因子反映出來，木材構(gòu)造對(duì)滲透性的影響最顯著。木材是由微小的組織和細(xì)胞組成的多孔和各向異性的物質(zhì)，水分憑借動(dòng)力(壓力或水分梯度)和木材結(jié)構(gòu)的變化以液體或水蒸氣的形式通過各種通路在木材中移動(dòng)。通路由導(dǎo)管分子上的穿孔、纖維、射線細(xì)胞、紋孔腔和開放的紋孔膜、細(xì)胞間的空隙和短時(shí)間細(xì)胞壁通路組成。闊葉材因?qū)Ч艿拇嬖谑蛊錆B透性在縱向較高，而橫向較低。針葉材由于管胞的徑向壁上有較多的紋孔穿過細(xì)胞壁與其他管胞橫向連通，因此徑向的滲透性較大。有的多孔體是可浸透的，只要有空隙相互連通，滲透性就存在。正是因?yàn)槟静慕Y(jié)構(gòu)因子的綜合作用，導(dǎo)致針葉材低滲透樹種比闊葉材多（鮑甫成，1965）、闊葉環(huán)孔材低滲透樹種比散孔和半散孔材多（鮑甫成等，1984）。同一樹種，縱向滲透性大于橫向滲透性（鮑甫成等，1992）；邊材滲透性往往大于心材滲透性（Robertetal.,1996）；弦向滲透性與徑向滲透性及早材滲透性與晚材滲透性隨樹種而異（Baoetal.,1999）。2.1.1紋孔經(jīng)過多年的研究，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為管胞具緣紋孔是控制針葉材滲透性的首要構(gòu)造因子。Jagels[8]認(rèn)為液體流經(jīng)針葉材主要經(jīng)過胞腔和紋孔；具緣紋孔對(duì)，特別是紋孔塞部分，在流體滲透時(shí)受到較大作用力[9]；在流體滲透時(shí)，具緣紋孔的滲透阻力最大[10]；Petty[11]認(rèn)為，具緣紋孔在液體滲透時(shí)提供90%的阻力；我國(guó)學(xué)者鮑甫成等[9]以基本密度為0.365g/cm3的針葉材為例計(jì)算出縱、橫向滲透時(shí)，通過細(xì)胞腔的壓降，大約分別為紋孔的0.006%和0.000000016%，即通過細(xì)胞腔的阻力很小，與紋孔相比完全可以忽略不計(jì)，換言之，流體的滲透阻力幾乎全由紋孔控制。眾所周知，有效紋孔膜微孔大而多者，滲透性高。紋孔中的紋孔塞在某些情況下會(huì)產(chǎn)生偏移，形成紋孔閉塞，進(jìn)而對(duì)木材的滲透性產(chǎn)生巨大影響。而影響有效紋孔膜微孔大小和數(shù)量的主要因素有：由于紋孔膜偏移而導(dǎo)致的紋孔閉塞;由于抽提物沉積而導(dǎo)致的紋孔膜微孔堵塞;由于結(jié)殼物質(zhì)沉積鑲嵌在紋孔膜上而形成的微孔堵塞[12]。關(guān)于紋孔閉塞的形成機(jī)理，各國(guó)學(xué)者都進(jìn)行過一些研究和描述，其中以Hart和Thomas(1967)[13]最有代表，現(xiàn)將其介紹如下（圖1）：圖1.紋孔閉塞的形成原理圖a表示大半徑的彎月面在紋孔口形成；圖b表示紋孔緣與紋孔塞之間已形成彎月面，由于其半徑小于a中半徑，因此產(chǎn)生的表面張力更大；在上面的紋孔腔排空后，蒸發(fā)沿著塞緣上的微孔進(jìn)行(圖c中)，從而產(chǎn)生比b中大得多的表面張力，如果外界空氣壓力和水分中產(chǎn)生的張力之差足夠大，紋孔塞將產(chǎn)生偏移；直至如圖d所示的整個(gè)紋孔塞正好蓋住紋孔口，這個(gè)紋孔就閉塞了；圖e和f表示紋孔塞繼續(xù)偏移，最終形成完全閉塞紋孔。理論上而言，液體是不能通過完全閉塞的紋孔產(chǎn)生流動(dòng)的，木材中閉塞紋孔所占的比例越高，其滲透性就越差，反之，則好。Siau（1995）[14]總結(jié)了過去許多學(xué)者的研究成果，把形成紋孔閉塞的主要因子歸結(jié)為以下五條：a.所蒸發(fā)的液體必須能與木材形成氫鍵的能力且必須兼?zhèn)浣o予體和接受體二者的性質(zhì)。b.所蒸發(fā)的液體使木材濕脹的能力必須近似等于或大于水。c.紋孔膜上微孔要小。d.其表面張力與接觸角之間的關(guān)系必須具備能使初始毛細(xì)作用力大到足以令紋孔膜產(chǎn)生偏移的能力。e.紋孔膜的剛性要低。2.1.2抽提物等木材抽提物的化學(xué)組成包括酚類、脂類、蠟狀物、異構(gòu)體和萜類化合物，抽提物成分、含量及其在木材中的分布，是否堵塞或阻礙流體滲透路徑等都將影響木材的滲透性。邊材比心材滲透性高，部分原因是由于心材形成過程中浸提物的覆蓋造成有效紋孔膜微孔半徑的減小和數(shù)量的減少。細(xì)胞壁是由許多層次組成的,依周瑩等[4]結(jié)論：細(xì)胞壁各層次中，微纖絲周圍常為豐富的基質(zhì)結(jié)殼物質(zhì)和抽提物等沉積和包裹著,這些物質(zhì)也明顯地堵塞著木材的微細(xì)結(jié)構(gòu),和影響著胞壁微毛細(xì)管的性質(zhì),是落葉松木材滲透性差的又一重要原因。樹脂或樹膠量少且分散，則流通通道順暢，滲透性高(Matsumuraetal．，1995b)。如落葉松(Larixgmelinii)滲透性差，其含有的豐富樹脂就是主要原因之一[15]。2.1.3含水率在橫向傳導(dǎo)中,由于傳導(dǎo)途徑方向與木材中占絕大多數(shù)的軸向細(xì)胞的胞壁垂直,決定了氣體在傳導(dǎo)中必須與木材內(nèi)表面進(jìn)行大量而又充分的接觸,木材在較低含水率時(shí),由于氣體具有一定的相對(duì)濕度,空氣中的水分與木材的內(nèi)表面進(jìn)行單純的表面反應(yīng)作用,在木材接觸的界面上產(chǎn)生吸著。吸著主要是由于吸著點(diǎn)的數(shù)量和結(jié)合力大小決定的。木材的吸濕是由細(xì)胞的內(nèi)表面積大小以及內(nèi)表面積和水的親和能力大小決定的,濕脹木材細(xì)胞內(nèi)表面積大約為（3.5-7.5）×106cm2/g。木材吸著點(diǎn)是木材成分中經(jīng)基(-OH)和梭基(-COOH)等。這種吸著作用使得在低含水率下極易進(jìn)人木材中氣體中的水分部分被吸收，降低了氣體的通量,從而使?jié)B透性降低。隨著含水率的提高,水分在木材內(nèi)部表面上形成致密的水分子層,從而擴(kuò)大了纖絲相互間的距離,而且形成吸著水分子層后,水分與細(xì)胞壁結(jié)合體對(duì)空氣中的水分吸著作用大為降低,空氣在木材內(nèi)傳導(dǎo)的效率提高,使得木材內(nèi)氣體流動(dòng)的阻力減小,滲透度達(dá)到最大值。不同含水率使木材滲透性達(dá)到最大值的主要原因是樹種不同、紋理方向不同、內(nèi)部成分對(duì)氣體傳導(dǎo)的影響不同所致。當(dāng)達(dá)到極點(diǎn)以后,木材內(nèi)表面繼續(xù)吸附水分#形成二次結(jié)合水和多層結(jié)合水,從而使木材中氣體傳導(dǎo)的通路減小,特別是在接近纖維飽和點(diǎn)時(shí)#在微孔膜的微孔處,由于水的作用使微孔閉合,氣體傳導(dǎo)受阻,因而滲透性變小。在軸向傳導(dǎo)中,在低含水率時(shí),滲透度較高,這主要原因是氣體在軸向的傳導(dǎo),主要是取決于軸向的細(xì)胞、管胞或?qū)Ч?、纖維相交疊連接處紋孔膜的狀態(tài)，隨著含水率的增加,紋孔膜上開始有水分凝結(jié),微孔尺寸與數(shù)目減小,阻礙了氣體的傳導(dǎo),從而使?jié)B透性變小。在纖維飽和點(diǎn)左右木材滲透性最低。滲透性大小的變化是受木材內(nèi)可供流體傳導(dǎo)的微孔大小及數(shù)量所決定的,并且這種構(gòu)造上的變化是受木材含水率的影響,在含水率升高的過程中,紋孔膜上微纖絲膨脹或有水分凝結(jié),使得紋孔膜上微孔半徑減少和數(shù)量減少[16]。苗平等[17]采用升水容積置換法分別測(cè)量了I－72楊木材徑向、弦向和縱向的氣體滲透性，分析了含水率對(duì)楊木氣體滲透性的影響。結(jié)果表明:同一含水率條件下，I－72楊木材徑向氣體滲透性稍大于弦向;在較高的含水率階段，縱向氣體滲透性略大于橫向(徑向、弦向)，隨著含水率降低，縱向氣體滲透性與橫向的差異急劇增大。而在各個(gè)紋理方向上不同部位的滲透性差異不明顯。隨含水率的降低滲透性有不同程度的提高，并且變異性較小。2.1.4微生物微生物對(duì)流體滲透性影響是通過微生物作用對(duì)木材構(gòu)造特別是對(duì)紋孔構(gòu)造的影響來表現(xiàn)的。早在1970年，Dunleavy和McQuire就發(fā)現(xiàn)了水貯的云杉原木由于細(xì)菌的入侵破壞了具緣紋孔、交叉場(chǎng)紋孔的紋孔膜，使其三個(gè)紋理方向的滲透性都有很大增加。許忠坤等人[18]杉木木材具有較好防腐性,但經(jīng)微生物處理后,木材液體滲透性提高大55.3%-60.5%,經(jīng)方差分析,對(duì)照與處理差異顯著;微生物處理對(duì)心材沒有作用;微生物處理改善杉木木材滲透性主要作用在邊材,其作用在前6h,單位體積吸水量占總吸水量的55.3%-60.5%,達(dá)到24h后吸水量差異甚微。鮑甫成等[19]利用水池貯存處理木材研究了細(xì)菌對(duì)改善長(zhǎng)白魚鱗云衫木材滲透性的有效性。滲透性增加的原因主要是由于邊材和部分心材試樣受到短芽孢桿菌等細(xì)菌的侵蝕,據(jù)電鏡觀察,邊材大多數(shù)具緣紋孔的紋孔塞被細(xì)菌降解后形成空洞,心材的管胞內(nèi)壁及具緣紋孔的紋孔緣上有細(xì)菌存在。2.1.5滲透介質(zhì)當(dāng)滲透介質(zhì)為液體時(shí)，木材滲透性與液體種類和極性、分子大小及構(gòu)造、液體黏度和濃度等因素有關(guān)。一般來說，液體黏度越低，濃度越低，分子空間體積越小，極性參數(shù)與木材越接近時(shí)，滲透性差異不大，通常氮?dú)鉂B透略快，氧氣略慢，而空氣介于兩者之間[15]。2.1.6外在條件在染色等需改善木材滲透性的加工中，對(duì)木材施加的外在條件即不同處理方法，會(huì)有不同程度的改變。鮑甫成等[19]的試驗(yàn)結(jié)果表明,水池貯存處理長(zhǎng)白魚鱗云衫氣干材10周,不僅可以非常顯著地增加其邊材的滲透性(滲透性平均增加29倍),而且其心材滲透性亦有明顯改善(平均滲透性增加1.52倍)。但心材試樣滲透性增加不均勻,僅有50%的心材試樣在水池貯存處理后滲透性得到了增加。木材經(jīng)抽提后,滲透性有明顯提高,并與抽提時(shí)間成線性關(guān)系。木材抽提后滲透度提高的程度與其所含相應(yīng)的抽提物的比例成正相關(guān)。冷水抽提對(duì)落葉松滲透性改善較大。堿和苯乙醇抽提效果最明顯,抽提后木材滲透性提高的內(nèi)在原因是除去紋孔膜上的結(jié)殼物質(zhì)，但堿抽提后的木材有較嚴(yán)重的變形,苯乙醇抽提后的木材尺寸穩(wěn)定性較好[19]。5種不同干燥方法干燥后人工林杉木邊材的浸注性總是明顯高于心材，經(jīng)大氣干燥、高溫干燥、常規(guī)窯干、高頻真空干燥和冷凍干燥后杉木邊材單位浸注面積的液體吸收量（512分鐘）平均值分別為其心材的7.1、2.9、2.2、9.1和6.5倍。方差分析結(jié)果表明，無論采用哪種干燥方法，人工林杉木心、邊材試樣單位浸注面積的液體吸收量之間均有顯著差異。無論是通過哪一種干燥方法，干燥試樣在經(jīng)過一段時(shí)間的液體浸注后，杉木邊材試樣內(nèi)部的液體浸注高度很高，而心材試樣內(nèi)部的浸注高度很低，難以被浸注。人工林杉木邊材浸注性明顯高于心材的原因，除了心材管胞具緣紋孔的閉塞率高于邊材以外，可能還有心材形成過程中浸提物的覆蓋、結(jié)殼物的鑲嵌造成有效紋孔膜微孔半徑和數(shù)量減小和減少的緣故[10]。呂建雄等[20]通過對(duì)長(zhǎng)白魚鱗云杉和臭冷杉生材分別進(jìn)行普通氣干處理和酒精置換處理以及對(duì)其氣干材進(jìn)行水浸處理,研究了這3種不同處理方法對(duì)木材氣體滲透性的影響及其影響機(jī)理。研究結(jié)果表明,長(zhǎng)白魚鱗云杉邊材、心材和臭冷杉心材的生材經(jīng)普通氣干處理后,其氣體滲透性較低;長(zhǎng)白魚鱗云杉邊材、心材和臭冷杉心材的生材經(jīng)酒精置換處理后,比普通氣干處理對(duì)照組試樣的平均滲透性分別增加約101.5倍、62%和30%,t檢驗(yàn)表明,前者差異非常顯著,但后兩者差異不顯著;已氣干18個(gè)月的長(zhǎng)白魚鱗云杉邊材、心材和臭冷杉心材經(jīng)水浸處理后,其平均氣體滲透性較處理前分別增加約85%、49%、6515%,t檢驗(yàn)表明差異均顯著。錢俊等[21]為了研究采用電場(chǎng)手段改良杉木的可行性，將一定含水率的杉木板材置于不同的電場(chǎng)強(qiáng)度（極板間電勢(shì)差）中，并在杉木板材上部穩(wěn)定地保持一定量的氯化鈉溶液，5h后，測(cè)試板材不同高度（厚度）部位的含水率和鈉離子含量，并與未在電場(chǎng)中滲透的杉木的對(duì)應(yīng)值比較分析，研究電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)氯化鈉溶液在杉木中滲透能力的影響，結(jié)果表明：①定向電場(chǎng)的存在，能促進(jìn)氯化鈉溶液在杉木中的滲透；②在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，氯化鈉溶液中水分和鈉離子在杉木中、下部滲透量增加