[科普中国]-木材吸湿滞后

木材吸湿滞后是指木材在达到平衡含水率的过程中吸湿平衡含水率总是小于解吸平衡含水率。木材是一种多孔性、吸湿性和各向异性的天然高分子材料，水分影响着木材多方面的性质。

简介木材是当今4大材料(钢铁、水泥、木材、塑料）中可以自然再生、永续利用的资源材料，也是一种多孔性、吸湿性和各向异性的天然高分子材料。木材对水的敏感性远大于塑料、金属、玻璃等材料，当木材含水率在其纤维饱和点以下时，随着所处环境(温度、相对湿度）的变化，木材会从周围空气中吸收(以气体形式的吸附）或释放出水分，导致木材含水率的变化，直至水分交换达到动态平衡为止。木材含水率的变化会引起木材的干缩湿胀，影响木材的尺寸稳定性、力学性质以及环境调节性等各种特性。

吸湿机理亲水性基团是指能与水分子生成氢键的基团，木材中的亲水性基团主要是羟基(O－H）和羰基(C=O），但羟基的亲水性比羰基的亲水性强，在木材吸湿性方面的主要研究对象是木材中的羟基。

木材对水分(吸着水）的吸着过程即水分子以气态形式进入细胞壁中，并与细胞壁主要成分上的吸着点产生氢键结合的过程。渡边治人提出，由于纤维素结晶区胶束内部的羟基内聚力处于饱和状态，因此水分不能浸入其内；而非结晶区胶束表面上的内聚力处于非饱和状态，有一部分羟基仍属自由羟基，这部分自由羟基可以和在本质上相同的水分子羟基相互结合在一起。

吸湿滞后在相同的温、湿度条件下，生材(或高含水率材）解吸达到的平衡含水率(D）高于干燥材(或低含水率材）吸湿而达到的平衡含水率(A），称这种现象为吸湿滞后。用两者之差(ΔW）吸湿滞后值或两者之比(A/D）吸湿滞后率来表征吸湿滞后的程度。

据Серговский研究，木材吸湿滞后的大小与树种无关，但随着木材尺寸的加大而增加，当增加到一定的程度，即当长度达到10cm、厚度达1.5cm时，也就不再增加而变成一个定值。吸湿滞后的原因迄今尚无定论，其主要解释为以下几点：

1）木材微晶表面在吸取水分的同时还吸取一部分气体，影响了木材吸湿性；

2）木材经干燥后，用于吸取水分的羟基借付价键直接相连，大部分羟基互相饱和了；

3）热处理后(t100℃）木材化学组成发生变化，即五碳糖减少，木质素增多，并且温度越高时五碳糖的减少和木质素的增多越显著。

对木材吸湿滞后现象机理的解释主要有Urquhart提出的“有效羟基说”、基于润湿接触角的Zsigmondy说和基于毛细管凝结理论的“墨水瓶”说等3个学说。

由Urquhart提出的有效羟基说在解释木材对水分的吸湿滞后时认为，在干燥状态时分子之间的距离非常近，因此部分游离羟基之间便以氢键的形式结合。当木材开始吸湿时，之前形成了氢键结合的那一部分羟基不能再与水分子相结合，使能吸附水分子的游离羟基数量减少，即能吸附的水分子数目减少，从而使吸湿平衡含水率低于解吸平衡含水率。

Zsigmondy认为，吸湿滞后现象主要是由于在解吸与吸湿过程中对毛细管壁的湿润或接触角的差异，在孔隙被液体充满的过程中，相当于液体在固体表面推进得到前进的接触角βa，而在孔隙中的液体在挥发过程中得到后退的接触角βR，βa总是大于βR。由Kelvin公式计算可知，解吸的平衡压力低于吸湿的平衡压力，因此出现吸湿滞后现象。

McBain墨水瓶学说则把微孔看成类似于墨水瓶结构的模型，模型的瓶颈直径小于瓶腹直径，由Kelvin方程得出凝聚/蒸发的蒸汽压在瓶颈处小于瓶腹处。在吸湿过程中，瓶颈先达到凝聚蒸汽压开始凝聚，而瓶腹还未达到凝聚蒸汽压不产生凝聚；在解吸时，虽然瓶腹先达到了蒸发蒸汽压而理应先蒸发，但是实际上由于瓶颈有液体对瓶腹的液封作用而不能对外蒸发，需在蒸汽压降到Pa时，瓶颈蒸发之后，液封作用解除，瓶腹内液体才开始蒸发排出，故而体现出吸湿滞后现象。1

本词条内容贡献者为:

张尉 - 副教授 - 西南大学