随着社会现代化水平的提高，人们对绿色材料的需求与日俱增，木材作为一种可再生环保材料越来越引起人们的关注，研究木材的性质有着十分重要的现实意义。

由于木材具有天然的多孔特征，而这种多孔特征最容易被观察到的是其毛细管特征，所以虽然在研究木材性能时有人按切割面将木材不同的面分别定义为径向、弦向、纹理方向和垂直纹理方向(Sjotron，1981)，但依然有许多人习惯于根据肉眼可见的毛细管特征来认识木材(Hergt et al., 1972；Haishi，1980)。事实上，Shen等(1998c)曾按木材的不同切割面研究木材的表面性能，但发现受毛细管与非毛细管吸收的影响极为明显。这说明影响木材吸收性能的主要还是其毛细管与非毛细管之间在结构上的区别。

木材的吸收性能直接影响到木材的应用，至今为止国内外已经有许多人对其进行了研究(Hergt et al., 1972；Haishi，1980; Shen et al., 1998a-e；Siau，1984；鲍甫成等，2001；2002)。Hergt等(1972)研究了水和乙醇浸渍一系列木材毛细管的过程，并发现此过程分成2部分，首先是木材表面的迅速湿润，然后是木材的毛细管吸收，已经发现了液体的性质明显影响到木材的吸收，但未在工作中进一步考虑液体的表面性能。由于液体的表面性能可以分成仅含有Lifshitz-van der Waals力的，及仅含有或同时含有Lewis酸碱性质的(Shen，2000)，所以根据液体的不同表面性质研究其在木材吸收中的作用及影响具有科学与实用的意义。

通过比较，本文研究了木材的毛细管与非毛细管吸收液体的动态过程。由于采用了一系列具有不同性质的液体，如仅具有Lifshitz-van der Waals力的二碘甲烷，及同时具有Lewis酸碱性质的水和甲酰胺，并根据试验数据推导了动力学模型，所以其结果将有利于认识木材的吸收性质及进一步地应用木材。

1 材料与方法 1.1 材料

试验用木材取自芬兰南方的欧洲赤松(Pinus sylvestris)，长和宽各为10 mm，厚5 mm。木材的含水量约为3%，未经过任何物理和化学方法处理(Shen et al., 1998a~e)。所用液体为经过无离子化处理的蒸馏水、分析纯的甲酰胺(FO)和二碘甲烷(DII)。这些液体的表面性质如表 1所示(Shen，2000)(γ_L为表面张力，γ_L^LW为表面张力中的Lifshitz-van der Waals力成分，γ_L^AB为表面张力中的Lewis酸碱反应能力的成分，γ_L⁺和γ_L^-则分别代表Lewis酸和碱的成分，η为液体的粘度)。

1.2 测试仪器及木材吸收/吸附液体的试验过程

木材吸收液体的试验是在Sigma KSV 70(芬兰KSV公司)表面张力仪上进行的。测试过程木片悬挂在液体上方，二者仅保持接触但无相对运动的状态，使得木材在吸收液体过程始终保持一种自发吸收液体的状态，以反映出木材的原始吸收特征。整个过程木材在不同时间所吸收液体的量由计算机进行动态监控和记录。木材的毛细管面与非毛细管面都分别被进行了测试，在25 ℃条件下进行。

2 结果与讨论 2.1 木材吸收液体的动态过程

图 1记录和反映了木材自发吸收3种不同性质液体的动态过程，其中可以明显地看出，木材的毛细吸收要大于非毛细吸收，但液体的性质对吸收过程影响很大。

由于以水为液体浸渍木材已被许多人研究过，所以图 1a给出的现象非常有意义。首先，与图 1b、c比较, 木材的毛细管吸收性能可能是非毛细管吸收性能的1.12~1.34倍，尤其是吸收水的量明显大于其他2种液体。其次发现，由于水的表面张力明显大于二碘甲烷和甲酰胺(表 1)，所以图 1所示木材吸收水多于其他液体说明了液体表面张力不是一个影响木材吸收的因素。由于图 1还显示木材吸收水的初期(0~200 s)其毛细管和非毛细管的吸收曲线几乎重叠，而此现象又不意味着木材在这2个方向具有一样的吸收性能，如图 1b c所示，所以可以解释的理由是水的Lewis酸碱成分与木材的Lewis碱性成分在吸收一开始即发生了明显的反应，以至木材的非毛细管有了与毛细管一样的吸收特征，如一样的孔径。而随着吸收时间的增加，这种现象开始出现明显差异，即毛细方向吸收液体的量越来越多。这可能意味着此时木材中的Lewis酸碱成分已与水的Lewis酸碱成分进行反应达到了平衡。

根据图 1及表 1的分析，木材吸收液体的量与这些液体的其他表面性能参数之间的关系也似乎不大，但却与粘度的关系似乎更合乎逻辑，即粘度越小越容易被木材吸收。

此外，由于图 1所示曲线代表了3种不同性质的液体在木材毛细与非毛细管2个方向的吸收特征，所以这些曲线的形状应该反映出我们所期望的重要的信息。二碘甲烷的吸收曲线似乎自一开始就显示出非常小的斜率，明显与其他2种液体的吸收曲线不一样。由于该液体仅具有Lifshitz-van der Waals力，而该木材被发现也具有较大的Lifshitz-van der Waals力(Siau, 1984)，所以这个现象可能意味着Lifshitz-van der Waals力在木材吸收过程中扮演着非常重要的角色。

2.2 木材吸收液体的动力学模型及参数

为了进一步认识图 1所示的曲线以认识木材的吸收特征，利用数学模型对这些曲线分别进行了描述，并归纳在表 2、3中。由于所有曲线的拟合值R都在0.994 44到0.999 97之间，说明这些模型具有非常高的拟合度，即得出的数学模型基本上代表和反映了木材的真实吸收过程。

表 2给出了木材吸收液体的动力学模型。由表 2可知，与Hergt等(1972)的研究结果，如木材吸收液体分两步不一致，本文发现木材吸收液体过程无论是毛细管还是非毛细管方向都可以分成3步，其第1和第3步的规律都是按照零级吸收的特征dW/dt=A进行，而区别仅在于吸收速率不同；但第2步却明显不一样，呈现出既有一级特征的吸收dW/dt=A+Bt，也有二级特征的吸收dW/dt=A+Bt+Ct²。比如木材毛细方向吸收甲酰胺时出现了一个唯一的二级吸收特征，这显然意味着木材毛细管中Lewis酸性成分与呈Lewis碱性的甲酰胺有反应发生，而且说明木材吸收液体是一个复杂的过程。

表 3进一步给出了木材吸收液体的动力学参数，结果发现木材吸收极性液体(甲酰胺和水)的速率与非极性液体(二碘甲烷)明显不一样。比如，表 3显示木材吸收极性液体的第一阶段都是非毛细管方向大于毛细管方向，而在第三阶段这种吸收规律又变得相反；这种规律与木材吸收非极性液体时始终是毛细方向大于非毛细方向显然不一致(表 3)。这意味着木材的非毛细管部分有利于吸收极性液体。换言之，这意味着Lewis酸碱反应可能有利于木材吸收液体。

表 3中还给出了木材吸收液体过程的分段时间。值得关注的是二碘甲烷的第1和第2转折点时间都明显小于其他2种液体，进一步说明Lifshitz-van der Waals力与Lewis酸碱力对木材吸收的影响不一样。尤其是甲酰胺的2个转折时间都明显大于其他2种液体，这不仅再次揭示了Lewis酸碱反应对木材吸收的影响是减少吸收量，降低吸收速率，也再次说明Lewis酸碱反应在木材吸收Lewis碱性液体时非常剧烈进行，尤其是在非毛细方向。显然，这意味着木材的毛细与非毛细方向有着结构与成分上的差异。但无论如何，表 3给出的数据对木材的应用与处理是有益的。

3 结论

根据木材吸收液体动力学的研究，本文发现木材吸收液体既受到毛细与非毛细这种天然性质的影响，但更受到液体性质，尤其是粘度、极性和Lewis酸碱性的影响。

木材吸收液体为三段式进行过程，其初始和最后都遵循零级吸收反应规律，而中间段则为复杂的一、二级吸收反应。