尺寸穩定性

尺寸穩定性，是指材料在受機械力、熱或其他外界條件作用下，其外形尺寸不發生變化的性能。由於聚合物具有黏彈性，在恆定外力（包括自身質量）作用下，易產生蠕變現象，導致製品的尺寸不穩定。

一般說來，柔性鏈的聚合物抗蠕變能力較差，而剛性鏈的聚合物則較強。

基本介紹

• 中文名：尺寸穩定性
• 外文名：dimensional stability
• 類別：物理化學

纖維及紙張的尺寸不穩定性

合成纖維在抽絲過程中，為提高其拉伸強度要進行牽引取向，但取向態又是熱力學的不穩定體系，在纖維製品加工過程中(如編織、染色、定型等)也可能解取向，導致纖維及製品尺寸的不穩定，因此要制定合理的工藝條件。

對於紙張不管其水分是否發生變化；或是在印刷和加工處理及使用過程中，不管物理應力及機械應力是否發生變化，紙張保持其大小和形狀不變。高度的尺寸穩定性對印刷紙類、建築紙板、記錄紙等是十分重要的。如紙張尺寸0.02%的變化就足以造成印刷困難，大氣中5%或稍低一點的相對濕度的變化就能造成套印不合格。

熱處理工藝合金微觀組織與尺寸穩定性的影響

採用冷熱循環熱處理工藝( 改變的T7熱處理工藝) 來調整2A12鋁合金顯微組織從而提高其材料的尺寸穩定性。結果表明：該熱處理方法與常見T6工藝、T4工藝對比，其鋁合金的抗拉強度、屈服強度、微屈服強度都明顯高於T6工藝15%，更優於T4工藝。顯微組織觀察表明：經過深冷循環處理的鋁合金材料的體積收縮使得材料內部產生了大量的位錯和亞晶等，鋁合金晶粒沒有明顯再結晶回復，同時強化相已完全轉化為S’相，相比T6工藝析出相析出更完全、分布更加均勻，從而提高其各種力學性能和尺寸穩定性。採用無負載條件下測試尺寸穩定性的結果表示：在相同條件下，T7工藝下比T4工藝下的尺寸穩定性提高了30%。

冷熱衝擊下材料尺寸穩定性實時檢測

參照精密儀表溫度衝擊的工作狀態，提出了交變溫度下材料尺寸變化的實時檢測的新方法，較之前常見的殘餘應力測試法( 只能間接推算結果) 、圓環開口法( 測量精度不高，時間周期長) 測試方法更加合理、準確及快捷。通過設定一定的變溫速率和循環次數，同時檢測每次溫度衝擊後的在特定溫度下的試樣剩餘長度，累計循環若干次以後便可清晰地檢測到材料的尺寸變化，本試驗循環溫度為20～150℃ 條件下，加熱、冷卻速率為8℃/min，循環15次，在循環到20℃ 時保溫25min後檢測並記錄試樣長度，測試精度可達到10－7。冷熱衝擊過程中，試樣經不同次數的交變溫度循環後，其單位尺寸的變化量公式中的L₀—試樣在起始測試點( 20℃ ) 的尺寸；L_i —試樣經i次冷熱循環後在20℃測量時尺寸。

結果清楚地反映出試樣在冷熱循環過程中的尺寸變化規律，可同時獲得每次冷熱循環後試樣尺寸的變化量以及固定環次數下的尺寸變化總量，從而可以更加方便、直觀地對材料的無負載的條件下尺寸穩定性進行評價。

交變溫度下尺寸變化

3種不同的時效熱處理方式下，2A12鋁合金在20～150℃之間，冷熱衝擊條件下的所顯示的尺寸穩定性結果。2A12鋁合金分別經不同時效工藝處理後，在冷熱衝擊條件下，第一次、第二次循環過程後，3種狀態的材料都發生了明顯的變化，但T7工藝的變化量明顯低於其它兩種工藝，隨著後續循環過程增加，三種工藝都沒有明顯的變化。分析結果可得，經T6、T7處理後，其尺寸穩定性都優於T4工藝下的鋁合金材料。採用T7熱處理工藝後較T4工藝尺寸穩定性提高了33%，較T6工藝下尺寸穩定性提高了15% 。

熱處理對木材吸濕特性及尺寸穩定性的影響

分別在常壓蒸汽與0.45MPa加壓蒸汽條件下，對樟子松和柞木進行熱處理，比較了熱處理材和未處理材的水分吸濕性及尺寸穩定性差異。結果表明：兩種試材經過熱處理後不僅吸濕量明顯降低，在高濕條件下的吸濕特性也發生了顯著變化，當環境相對濕度從69%增至94%時，熱處理材的平衡含水率變化率僅為對照材的1/3，細胞壁微觀構造在高溫條件下的變化可能是造成這一現象的主要原因；吸濕性的降低使熱處理材的尺寸穩定性獲得了大幅度提高，樟子松試材加壓蒸汽熱處理後徑、弦向濕脹率分別下降了34%和47%，柞木則分別降低了46%和51%；熱處理材的弦向抗濕漲係數普遍高於徑向抗濕漲係數，表明木材徑、弦向的濕脹差異在熱處理後也有所縮減；加壓蒸汽熱處理比常壓蒸汽熱處理的改性效果更為顯著。

吸濕性與尺寸穩定性的測定

將對照材和兩種處理材加工成尺寸為20mm×20mm×20mm(順紋 × 徑向 × 弦向) 的試樣，共3組，每組10個試樣，採用飽和鹽溶液法進行吸濕性測試。試驗時，將飽和鹽溶液置於乾燥皿底部。所有木材試樣放置於乾燥皿中部的帶孔隔板上，將乾燥皿蓋好後放入溫度為25℃的調溫調濕箱中。預試驗結果表明，試樣木塊質量30d左右可以達到穩定。

每階段試驗結束時，對試樣的質量和線性尺寸進行測量。試驗結束後，將試樣放入烘箱中在103℃下烘至絕乾後稱質量。試驗採用平衡含水率及其變化率指標比較不同試樣的吸濕特性，採用線性濕脹率和抗濕脹係數比較試樣的尺寸穩定性。

1)木材在25℃，相對濕度條件下的平衡含水率(EMC)：w_EMC=(G_r－G₀ ) /G₀×100% 。

2)EMC變化率：EMC變化率反映了EMC對環境濕度的敏感性。典型的木材吸濕等溫線呈“S”形，可劃分為3個區域：區域Ⅰ(相對濕度0～30% )，EMC的變化率隨RH的增加逐漸變小；區域Ⅱ(相對濕度>30%～60% )，EMC的變化率接近常數；區域Ⅲ(相對濕度 >60%～70% )，EMC的變化率隨RH增加而迅速增大。研究中將這一關係進行了簡化，假設在區域Ⅲ內EMC變化率也為常量，以此比較不同試材的EMC在區域Ⅱ和區域Ⅲ的變化速度。

3)線性濕脹率(S)：S=(L₂－L₁ ) /L₁×100%。L₂為試樣在高含水率下的線性尺寸，mm；L₁為試樣在低含水率下的線性尺寸，mm。試驗中將L₁定為相對濕度為33%條件( 平衡含水率為6.5% ) 下的試樣線性尺寸，而L₂為相對濕度為94%條件( 平衡含水率為23.0% ) 下的試樣線性尺寸，這一區間也是大多數木質品在使用狀態下的濕度範圍。

4)抗濕脹係數(ASE)：i_ASE=(S_nt－S_t )/S_nt×100%。(4)式中：i_ASE 為抗濕脹係數，%；S_nt為對照材的線性濕脹率，%；S_t 為熱處理材的線性濕脹率，%。

尺寸穩定性與吸濕性的變化趨勢

熱處理使木材的徑、弦向濕脹性都出現明顯下降，而加壓蒸汽熱處理較常壓的影響更大，樟子松試材加壓蒸汽熱處理後徑、弦向濕脹率分別下降了34%和47%，對於柞木這一降幅更是達到46%和51% 。以上數據表明，尺寸穩定性的變化趨勢與吸濕性的變化趨勢一致。除了柞木常壓蒸汽熱處理材外，弦向ASE值普遍高於徑向ASE 值。Esteves等對松木和桉木熱處理材的尺寸穩定性分析也得出了相似結論。這表明熱處理材弦向的尺寸穩定性改善比徑向更為顯著，即熱處理不僅提高了木材的尺寸穩定性，而且有助於減小徑、弦向之間的濕脹差異。

柞木的熱處理溫度比樟子松低20℃，然而柞木熱處理材的ASE值普遍高於樟子松，這說明柞木在較低的處理溫度下就可以達到較高的改性效果。造成這種差異的主要原因在於闊葉材與針葉材半纖維素的成分差異。在闊葉材中，葡萄糖醛酸聚木糖是半纖維素的主要組分，這種多糖的主鏈是由D吡喃型木糖單元構成，平均每10個木糖單元具有7個乙醯基；而在針葉材中，半乳葡甘露聚糖是主要的半纖維素組分，其主鏈上平均每3～4個己糖單元才有1個乙醯基替代基團。乙醯基在半纖維素的熱解過程中會從主鏈斷開生成乙酸，對半纖維素和纖維素無定形區的降解起到促進作用，闊葉材半纖維素由於具有更多乙醯基，在降解過程中釋放的酸性揮發物也更多，因而可以在較低溫度下實現顯著的改性效果。