本发明属于生物质材料物理性能领域，具体涉及一种快速、同时测定生物质材料水分扩散性和透湿性的方法。
背景技术
生物质材料(木材、竹材、藤、棕榈、秸秆等)在建筑、物流运输、包装等领域均有广泛应用。在使用过程中，生物质材料当中含有的水分会随着空气相对湿度的变化而变化，这是因为组成生物质材料的化学成分中含有羟基等活性基团，会与空气中的水蒸汽进行结合。此外，生物质材料还是一种毛细管多孔体材料，水分进入到生物质材料内部后，会沿着不同孔径的毛细管以不同速度进行移动。水分在生物质材料孔隙中的移动现象称为扩散性和透湿性。因此，研究清楚生物质材料的水分扩散性及透湿性，对于制品的尺寸稳定性、力学性能及耐久性具有重要意义。
现阶段研究生物质材料的水分透湿性没有专门的标准，主要借鉴标准astme96/e96m–2005《standardtestmethodsforwatervaportransmissionofmaterials》进行，但该标准中规定的试件尺寸半径需7.2cm，温度范围约为23～38℃，而且测试时间往往需要8～10天。现有技术中，有些无法控制测量环境的温度，有些只能单一测量透湿性或水分扩散性，无法做到二者的同时测量。快速、稳定、同时测量生物质材料的水分扩散性和透湿性对于全面评价生物质材料墙体、生物质薄膜、生物质托盘的水分传递特性具有重要意义。
技术实现要素：
本发明提供了一种快速、同时测定生物质材料水分扩散性和透湿性的方法，克服了现有技术的缺陷，达到了耗时短，拓宽了测试的温、湿度范围，快速、稳定、同时测量生物质材料的水分扩散性和透湿性的有益效果。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种快速、同时测定生物质材料水分扩散性和透湿性的方法，包括以下步骤：
步骤一，从生物质材料的任一切面切出薄片，并计算相应的生物质薄片的截面积a和体积v；
步骤二，将步骤一中的生物质薄片置于动态蒸汽吸附仪的托盘上，在湿度为0％的条件下干燥至绝干，获得绝干质量m0，之后在湿度为0～95％的任一湿度下进行等温吸附测试，记录薄片在t时间内的质量变化，记为ms，以及最终达到的平衡质量me；
步骤三，将步骤二中的生物质薄片放置于扩散池的两层垫圈之间，在扩散池中放入干燥剂；
步骤四，将步骤三中的扩散池置于动态蒸汽吸附仪的托盘上，在湿度为0％的条件下干燥至绝干，之后将湿度调整至与步骤二中的任一湿度相同，记录生物质薄片和干燥剂在t时间内的总质量变化mt；
步骤五，根据生物质薄片的面积a和体积v，步骤二和步骤四中的质量数据m0、ms、me和mt，以及测试时间t，采用下列式(1)和式(2)分别计算水分扩散系数d和水蒸气通量f：
式中，a为生物质薄片的面积，单位为m2；v为生物质薄片的体积，单位为m3；m0为生物质薄片的绝干质量，单位为g；ms为生物质薄片在t时间内的质量变化，单位为g；me为生物质薄片的平衡质量，单位为g；mt为生物质薄片和干燥剂在t时间内的总质量变化，单位为g；t为测试时间，单位为s；d为水分扩散系数，单位为m2s-1；
式中，a为生物质薄片的面积，单位为m2；mt为生物质薄片和干燥剂在t时间内的总质量变化，单位为g；ms为生物质薄片在t时间内的质量变化，单位为g；t为测试时间，单位为s；f为水蒸气通量，单位为gs-1m-2。
进一步地，上述步骤三中，所述垫圈为o型橡胶垫圈。
进一步地，上述步骤三中，所述干燥剂为硅胶、沸石、氯化钙或五氧化二磷中的一种。
进一步地，上述步骤一中，所述切面为纵切面、横切面或斜切面的一种，测试生物质材料不同切面的扩散性和透湿性，有助于系统了解生物质材料不同部位的水分扩散性和透湿性。
进一步地，上述步骤一中，所述薄片厚度为20～200um、直径为1.5cm，要求的试样体积较小，适用于竹材、藤材、棕榈、秸秆等尺寸有限的生物质材料。
进一步地，上述步骤三中，所述干燥剂的量为10～200mg。
进一步地，上述步骤一至四中，温度范围为20～80℃，大幅拓宽了传统测试方法的温度范围。
本发明所达到的有益效果：
(1)仅需1次等温吸附测试和1次透湿测试，即可同时测定任一给定温、湿度条件下的水分扩散性和透湿性。测试方法快速，高效。
(2)测试环境的温度、湿度、气流条件恒定，测试方法准确、稳定。
(3)测试温度为20～80℃，湿度为0～95％，大幅拓宽了传统测试方法的温、湿度范围，有助于全面了解生物质材料水分扩散性、透湿性对温、湿度条件的响应。
(4)该方法要求的试样体积较小，适用于竹材、藤材、棕榈、秸秆等尺寸有限的生物质材料；此外可以测试生物质材料不同切面的扩散性和透湿性，有助于系统了解生物质材料不同部位的水分扩散性和透湿性。
附图说明
图1为生物质薄片的质量变化(ms)、生物质薄片的平衡质量(me)、生物质薄片和干燥剂的总质量变化(mt)及干燥剂的质量变化(mt-ms)；
图2为杨木径切面薄片的质量变化(ms)、杨木径切面薄片的平衡质量(me)、杨木径切面薄片和五氧化二磷的总质量变化(mt)及五氧化二磷的质量变化(mt-ms)；
图3为杉木弦切面薄片的质量变化(ms)、杉木弦切面薄片的平衡质量(me)、杉木弦切面薄片和硅胶的总质量变化(mt)及硅胶的质量变化(mt-ms)；
图4为竹材横切面薄片的质量变化(ms)、竹材横切面薄片的平衡质量(me)、竹材横切面薄片和氯化钙的总质量变化(mt)及氯化钙的质量变化(mt-ms)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：杨木径切面在湿度为30％时的水分扩散性和透湿性测定
步骤一，在杨木径切面切出厚度为50um的薄片，并将截面修整为1.5cm直径的圆形。计算出薄片的截面积a和体积v。
步骤二，将步骤一中的杨木薄片置于动态蒸汽吸附仪的托盘上，在湿度为0％的条件下干燥至绝干，获得绝干质量m0；之后在湿度为30％的恒定条件下，记录薄片在t时间内的质量变化，记为ms，以及最终达到的平衡质量me。
步骤三，将步骤二中的杨木薄片放置于扩散池的两层o型橡胶垫圈之间，在扩散池中放入50mg五氧化二磷。
步骤四，将步骤三中的扩散池置于动态蒸汽吸附仪的托盘上，在湿度为0％的条件下干燥至绝干，之后在湿度为30％的恒定条件下，记录杨木薄片和五氧化二磷在t时间内的总质量变化mt。
步骤五，根据杨木薄片的面积(a)和体积(v)，以及步骤二和步骤四中的质量数据(m0、ms、me和mt)以及测试时间t，采用式(1)和式(2)计算水分扩散系数d和水蒸气通量f。
实施例2：杉木弦切面在湿度为60％时的水分扩散性和透湿性测定
步骤一，在杉木弦切面切出厚度为100um的薄片，并将截面修整为1.5cm直径的圆形。计算出薄片的截面积a和体积v。
步骤二，将步骤一中的杉木薄片置于动态蒸汽吸附仪的托盘上，在湿度为0％的条件下干燥至绝干，获得绝干质量m0；之后在湿度为60％的恒定条件下，记录薄片在t时间内的质量变化，记为ms，以及最终达到的平衡质量me。
步骤三，将步骤二中的杉木薄片放置于扩散池的两层o型橡胶垫圈之间，在扩散池中放入100mg硅胶。
步骤四，将步骤三中的扩散池置于动态蒸汽吸附仪的托盘上，在湿度为0％的条件下干燥至绝干，之后在湿度为60％的恒定条件下，记录杉木薄片和硅胶在t时间内的总质量变化mt。
步骤五，根据杉木薄片的面积(a)和体积(v)，以及步骤二和步骤四中的质量数据(m0、ms、me和mt)以及测试时间t，采用式(1)和式(2)计算水分扩散系数d和水蒸气通量f。
实施例3：竹材横切面在湿度为85％时的水分扩散性和透湿性测定
步骤一，在竹材横切面切出厚度为150um的薄片，并将截面修整为1.5cm直径的圆形。计算出薄片的截面积a和体积v。
步骤二，将步骤一中的竹材薄片置于动态蒸汽吸附仪的托盘上，在湿度为0％的条件下干燥至绝干，获得绝干质量m0；之后在湿度为85％的恒定条件下，记录薄片在t时间内的质量变化，记为ms，以及最终达到的平衡质量me。
步骤三，将步骤二中的竹材薄片放置于扩散池的两层o型橡胶垫圈之间，在扩散池中放入120mg氯化钙。
步骤四，将步骤三中的扩散池置于动态蒸汽吸附仪的托盘上，在湿度为0％的条件下干燥至绝干，之后在湿度为85％的恒定条件下，记录竹材薄片和氯化钙在t时间内的总质量变化mt。
步骤五，根据竹材薄片的面积(a)和体积(v)，以及步骤二和步骤四中的质量数据(m0、ms、me和mt)以及测试时间t，采用式(1)和式(2)计算水分扩散系数d和水蒸气通量f。
根据本发明方法，测试得到具体实施例1、2和3中试样的水分扩散系数d和水蒸气通量f，以及测试时间，如表1所示。
表1具体实施例1、2和3中试样的水分扩散系数和水蒸气通量
从表1中可以分析，采用本发明方法的方法，可以同时测试出生物质材料在任一切面上的水分扩散系数和水蒸气通量，并且测试时间比常规方法有显著缩短。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。