一种仿生木基湿度指示计及其制备方法
阅读说明：本技术 一种仿生木基湿度指示计及其制备方法 (Bionic wood-based humidity indicator and preparation method thereof ) 是由 詹天翼 刘治廷 吕建雄 彭辉 陈凯文 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种仿生木基湿度指示计,包括主动层和被动层,所述主动层和被动层之间设有胶黏剂,所述主动层和被动层均为木质层板,所述主动层沿纵向变形大于被动层。本发明公开了一种仿生木基湿度指示计的制备方法,包括：根据实际使用条件的湿度范围,确定仿生木基湿度指示计的曲率变化范围；根据曲率变化范围,确定指示计中主动层、被动层的初始含水率和厚度比例；分别制备对应的主动层、被动层；分别对主动层、被动层进行调湿,使其达到初始含水率；主动层和被动层施胶并热压,制备得到仿生木基湿度指示计。本发明制备的仿生木基湿度指示剂的原料仅为木材和胶黏剂,成本低,工艺步骤简单,生产效率高,指示方法灵敏、高效、简单,可反复使用。(The invention discloses a bionic wood-based humidity indicator which comprises an active layer and a passive layer, wherein an adhesive is arranged between the active layer and the passive layer, the active layer and the passive layer are both wood laminates, and the deformation of the active layer along the longitudinal direction is larger than that of the passive layer. The invention discloses a preparation method of a bionic wood-based humidity indicator, which comprises the following steps: determining the curvature change range of the bionic wood-based humidity indicator according to the humidity range of the actual use condition; determining the initial water content and the thickness proportion of an active layer and a passive layer in the indicator according to the curvature change range; respectively preparing an active layer and a passive layer; humidifying the active layer and the passive layer respectively to enable the active layer and the passive layer to reach the initial water content; and gluing the active layer and the passive layer, and carrying out hot pressing to prepare the bionic wood-based humidity indicator. The bionic wood-based humidity indicator prepared by the invention only adopts wood and adhesive as raw materials, has low cost, simple process steps and high production efficiency, and the indicating method is sensitive, efficient and simple and can be used repeatedly.)
技术领域
本发明涉及木材仿生技术领域，具体涉及一种仿生木基湿度指示计及其制备方法。
背景技术
在大自然漫长的演化过程中，植物的组织结构进化以适应气候变化。树叶在雨天伸展以汲取水份，在干旱时闭合以减少流失；松果壳鳞片的开口程度依湿度的变化而发生改变；麦芒在昼夜交替过程中随湿度的周期变化而钻入土壤缝隙；当豆荚失水收缩时，两片豆荚反向弯曲，形成螺旋状，从而实现种子的弹射。这些依靠湿度激励主动改变形状的行为是植物的高级生存策略。
木材是一种毛细管有限膨胀胶体材料，由于细胞壁化学组分含有极性基团，因此具有吸湿性。当空气湿度较低时，木材发生解吸现象，内部水分向空气散发；当空气湿度较高时，木材发生吸着现象，从空气中吸收水分。吸着或解吸过程中，木材尺寸产生变化，即干缩湿胀。作为一种各向异性材料，木材不同方向的干缩湿胀具有差异，横向（径、弦）干缩湿胀量远大于纵向。干缩湿胀有可能造成木材的开裂和翘曲等缺陷，因此，控制木材的干缩湿胀，提高其尺寸稳定性一直是木材改性的重点领域。
传统湿度指示计有干湿球温度计、毛发湿度计、氯化锂湿度计等。干湿球温度计由两只完全相同的温度计构成，其中一只温度计为干球温度计，另一只为湿球温度计。利用水分蒸发而使湿球温度计的温度示数低于干球温度计，从而根据二者的差值得出空气相对湿度，但这种湿度指示计的指示效率低，不灵敏，且易受风速影响，从而影响指示准确性；毛发湿度计利用毛发在吸湿后长度或体积的变化测量空气湿度，但存在感应变化滞后、且易积累灰尘，不适合长期反复使用；氯化锂或氧化铝作为湿度计时，根据金属薄膜吸水后的电容、电阻变化测量湿度，但成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种仿生木基湿度指示计及其制备方法，制备的仿生木基湿度指示剂的原料仅为木材和胶黏剂，成本低，工艺步骤简单，生产效率高，指示方法灵敏、高效、简单，可反复使用，可在湿度范围内多次指示。
为解决上述技术问题，本发明提供一种仿生木基湿度指示计，包括主动层和被动层，所述主动层和被动层之间设有胶黏剂，所述主动层和被动层均为木质层板，所述主动层沿纵向变形大于被动层。
在该双层结构中，控制主动层、被动层的纵向尺寸变化存在一定差异。但由于主动层、被动层由胶黏剂粘接为一整体，因此指示计为了协调主动层、被动层的尺寸变化差异而发生弯曲。当湿度增加时，指示计会向着被动层一侧发生弯曲；当湿度降低时，弯曲则会向着主动层一侧回复。
本发明还提供一种仿生木基湿度指示计的制备方法，包括：
根据实际使用条件的湿度范围，确定仿生木基湿度指示计的曲率变化范围；
根据曲率变化范围，确定指示计中主动层、被动层的初始含水率和厚度比例；
分别制备对应的主动层、被动层；
分别对主动层、被动层进行调湿，使其达到初始含水率；
主动层和被动层施胶并热压，制备得到仿生木基湿度指示计。
优选地，实际使用条件的湿度范围为5~99%相对湿度。
优选地，所述仿生木基湿度指示计的曲率变化范围为-15~10μm-1。
优选地，所述主动层、被动层的初始含水率为0%、12%或30%。
优选地，所述主动层、被动层的调湿条件为0%、69%或100%。
优选地，所述主动层、被动层的厚度为20~200μm，所述主动层、被动层厚度的比值为0.1~10。
优选地，所述主动层的长度方向为杉木的轴向，其刚度为10000MPa，所述被动层的长度方向为杉木的径向，其刚度为800MPa。
优选地，所述胶黏剂为酚醛树脂胶，施胶量为150~200g/m2。
优选地，所述热压温度为140~160°C，热压时间为1~5min，热压压力为0.1~0.3MPa。
本发明所达到的有益效果：
（1）相较于其他湿度指示计，本发明中制备的仿生木基湿度指示剂的原料仅为木材和胶黏剂，成本低，工艺步骤简单，生产效率高；
（2）本发明中制备的仿生木基湿度指示计，指示方法灵敏、高效、简单；
（3）木基湿度指示剂可反复使用，可在湿度范围内多次指示；
（4）本发明中制备的仿生木基湿度指示计，幅面尺寸可调，成品美观，形式多样。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种木基湿度指示计的典型指示示意图；
图2 为各实施例中木基湿度指示计的曲率与环境湿度的对应关系；
图3 为绝干木基湿度指示计的曲率与主、被动层厚度比的关系；
图4 为绝干木基湿度指示计的曲率与主、被动层含水率的关系。
具体实施方式
下面结合实施例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。
如图1所示，一种仿生木基湿度指示计，包括主动层1和被动层2，所述主动层1和被动层2之间设有胶黏剂3，所述主动层1和被动层2均为木质层板，所述主动层1沿纵向变形大于被动层2。在该双层结构中，控制主动层1、被动层2的纵向尺寸变化存在一定差异。但由于主动层1、被动层2由胶黏剂3粘接为一整体，因此指示计为了协调主动层1、被动层2的尺寸变化差异而发生弯曲。当湿度增加时，指示计会向着被动层2一侧发生弯曲；当湿度降低时，弯曲则会向着主动层1一侧回复。
实施例1
一种仿生木基湿度指示计，该指示计的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，确定实际湿度变化范围为：50%~90%。
步骤二，根据步骤一的湿度变化范围，确定木基湿度指示计的曲率变化范围为-3μm-1~3μm-1。
步骤三，根据步骤二的曲率变化范围，确定主动层初始含水率为12%，被动层初始含水率为0%；
步骤四，根据步骤二的曲率变化范围，确定主动层厚度为100μm，被动层厚度为50μm。
步骤五，根据步骤三的初始含水率，主动层的调湿条件为100%，被动层的调湿条件为0%。
步骤六，将经过步骤三至五的主、被动层施胶，并平行组坯。施胶量为150g/m2。
步骤七，热压。热压温度为140℃，热压时间为5min，热压压力为0.1MPa。热压结束后，获得仿生木基湿度指示计。
实施例2
一种仿生木基湿度指示计，该指示计的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，确定实际湿度变化范围为：30%~75%。
步骤二，根据步骤一的湿度变化范围，确定木基湿度指示计的曲率变化范围为-1μm-1~4μm-1。
步骤三，根据步骤二的曲率变化范围，确定主动层初始含水率为30%，被动层初始含水率为0%；
步骤四，根据步骤二的曲率变化范围，确定主动层厚度为150μm，被动层厚度为100μm。
步骤五，根据步骤三的初始含水率，主动层的调湿条件为100%，被动层的调湿条件为0%。
步骤六，将经过步骤三至五的主、被动层施胶，并平行组坯。施胶量为200g/m2。
步骤七，热压。热压温度为150℃，热压时间为3min，热压压力为0.2MPa。热压结束后，获得仿生木基湿度指示计。
实施例3
一种仿生木基湿度指示计，该指示计的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，确定实际湿度变化范围为：10%~90%。
步骤二，根据步骤一的湿度变化范围，确定木基湿度指示计的曲率变化范围为-2μm-1~6μm-1。
步骤三，根据步骤二的曲率变化范围，确定主动层初始含水率为30%，被动层初始含水率为30%；
步骤四，根据步骤二的曲率变化范围，确定主动层厚度为100μm，被动层厚度为100μm。
步骤五，根据步骤三的初始含水率，主动层的调湿条件为100%，被动层的调湿条件为100%。
步骤六，将经过步骤三至五的主、被动层施胶，并平行组坯。施胶量为170g/m2。
步骤七，热压。热压温度为160℃，热压时间为4min，热压压力为0.3MPa。热压结束后，获得仿生木基湿度指示计。
实施例4
一种仿生木基湿度指示计，该指示计的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，确定实际湿度变化范围为：40%~60%。
步骤二，根据步骤一的湿度变化范围，确定木基湿度指示计的曲率变化范围为-1μm-1~4μm-1。
步骤三，根据步骤二的曲率变化范围，确定主动层初始含水率为30%，被动层初始含水率为12%；
步骤四，根据步骤二的曲率变化范围，确定主动层厚度为60μm，被动层厚度为40μm。
步骤五，根据步骤三的初始含水率，主动层的调湿条件为100%，被动层的调湿条件为69%。
步骤六，将经过步骤三至六的主、被动层施胶，并平行组坯。施胶量为185g/m2。
步骤七，热压。热压温度为150℃，热压时间为4min，热压压力为0.2MPa。热压结束后，获得仿生木基湿度指示计。
实施例5
一种仿生木基湿度指示计，该指示计的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，确定实际湿度变化范围为：35%~85%。
步骤二，根据步骤一的湿度变化范围，确定木基湿度指示计的曲率变化范围为-3μm-1~7μm-1。
步骤三，根据步骤二的曲率变化范围，确定主动层初始含水率为12%，被动层初始含水率为12%；
步骤四，根据步骤二的曲率变化范围，确定主动层厚度为25μm，被动层厚度为25μm。
步骤五，根据步骤三的初始含水率，主动层的调湿条件为69%，被动层的调湿条件为69%。
步骤六，将经过步骤三至五的主、被动层施胶，并平行组坯。施胶量为190g/m2。
步骤七，热压。热压温度为145℃，热压时间为3min，热压压力为0.2MPa。热压结束后，获得仿生木基湿度指示计。
图2展示了各实施例的木基湿度计在环境湿度变化过程中曲率的变化情况。从图中可以看出，无论是哪一个实施例，曲率与环境湿度近似为线型关系或指数关系。即曲率与环境湿度存在一一对应的关系，但各实施例曲率的数值及随相对湿度的变化幅度存在差异。曲率的数值与木基湿度指示计的总厚度以及主、被动层的厚度比有关。曲率随相对湿度的变化幅度与主/被动层的含水率有关。图3展示了不同总厚度的条件下，绝干木基指示计的曲率随厚度比的变化情况。从图中可以看出，绝干曲率的绝对值随厚度比的增加而减小，且随总厚度的增加而减小。图4为主/被动层不同含水率条件下曲率变化幅度的变化情况。因此，根据实际的湿度变化范围，可以确定较优的曲率变化范围，以及对应的厚度比、初始含水率。
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。
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