木材中的水分與木材干燥

1、第二章木材中的水分與木材干燥當木材中含有的水分過多時，會影響其產(chǎn)品的質(zhì)量，所以要對木材進行干燥處 理。本章主要從木材中的水分及其與木材干燥的關(guān)系方面作一簡單的介紹。第一節(jié)木材中的水分和木材含水率木材中所含水分數(shù)量的多少用“木材含水率”表示。它是木材中水分的重量與 木材重量的百分比（）。含水率可以用絕干木材的重量作為計算基礎(chǔ)，得到的數(shù)值叫做絕對含水率，并 簡稱為含水率，木材干燥生產(chǎn)中一般采用絕對含水率（即含水率）來計算和反映木 材的實際含水率狀態(tài)，而相對含水率只用于木材作為燃料時的含水率計算。木材按干濕程度可分5級：濕材：長期放在水內(nèi)，含水率大于生材的木材。生材：和新采伐的木材含水率基本一致的木

2、材。半干材：含水率小于生材的木材。氣干材：長期在大氣中干燥，基本上停止蒸發(fā)水分的木材。這種木材的含水率 因各地的干濕情況而有所不同，變化范圍一般在8% 20%之間。室（窯）干材：經(jīng)過（窯）干處理，含水率為7% 15%的木材。第二節(jié)木材中水分的組成和對木材干燥的影響木材是由細胞組成的，每個細胞又是由細胞腔和細胞壁組成的。細胞壁上所具 有的紋孔，使每個細胞的細胞腔相互連接，構(gòu)成了大毛細管系統(tǒng)；而細胞壁主要是 由微纖維組成，微纖維又由微膠粒構(gòu)成，微纖維之間及微膠粒之間具有的空隙構(gòu)成 了微毛細管系統(tǒng)，木材中的水分就存在于這兩個毛細管系統(tǒng)之中。因水分存在的系 統(tǒng)不同而分為三種：1、自由水（毛細管水），存

3、在于細胞腔中；2、吸著水（吸附水、 結(jié)合水、細胞壁水） ，存在于細胞壁中； 3、化合水：與細胞壁組成物質(zhì)呈化學結(jié)合 狀態(tài)。它們均沿著系統(tǒng)的通路向縱橫方向擴散。細胞腔中的自由水被蒸發(fā)后，細胞便不能從空氣中再吸收水分，因而影響木材 的重量、燃燒力、干燥性、液體滲透性和耐久性。而細胞內(nèi)的微毛細管則具有從空 氣中釋放水分的能力，它直接影響木材的強度和脹縮（體積或尺寸的變化） ，即木材 的穩(wěn)定性?；纤谀静闹袠O少，因而對木材的性質(zhì)無影響，所以木材處于干燥狀 態(tài)時， 自由水的蒸發(fā)只是減輕了木材的重量。 而吸著水的蒸發(fā)則使木材產(chǎn)生了干縮， 如果木材干縮不均勻，就會導致木材產(chǎn)生開裂和變形，影響了木材在后續(xù)加

4、工中的 正常使用和木制品的產(chǎn)品質(zhì)量。第三節(jié)木材的纖維飽和點和木材平衡含水率當細胞腔內(nèi)的自由水已蒸發(fā)干凈而細胞壁中的吸著水處于飽和狀態(tài)時，木材含 水率的狀態(tài)點叫做纖維飽和點。纖維飽和點的含水率隨樹種和溫度的不同而存在著 差異。但大多數(shù)木材，當空氣的溫度在常溫（20C）、相對濕度在100%時，其變化范圍為 23 33，平均值約為 30，所以人們習慣性認為木材在纖維飽和點時的 含水率為 30%。但纖維飽和點是隨著溫度的升高而變小的。常溫狀態(tài)下為30%；6070C時降低到26%; 100C時降到22%; 120C時降到18%。木材平衡含水率是指細碎木材的干燥狀態(tài)達到與周圍介質(zhì)（如空氣）的溫、濕 度相平

5、衡的含水率。木材平衡含水率隨空氣的溫、濕度變化而變化。當空氣的溫、 濕度一定時，木材平衡含水率也一定。木材的實際含水率在纖維飽和點以下時，如 果把木材放在這個環(huán)境中，木材的實際含水率將朝著與該環(huán)境下的木材平衡含水率 數(shù)值相近的方向變化。因木材實際含水率不同，這個過程產(chǎn)生的現(xiàn)象是不一樣的。 因組成木材的細胞中細胞壁具有從空氣中吸收和釋放水分的能力，當木材的實際含 水率高于該環(huán)境下的木材平衡含水率的數(shù)值時，木材就向空氣中釋放水分，這種現(xiàn) 象叫做解吸。當木材的實際含水率低于該環(huán)境下的木材平衡含水率時，木材就從空 氣中吸收水分，這種現(xiàn)象叫做吸濕。無論是解吸還是吸濕，木材的實際含水率數(shù)值 都將與空氣中的

6、木材平衡含水率相近后才能相對穩(wěn)定不便?？梢哉f，某一相對穩(wěn)定 的、濕度環(huán)境條件就決定了該相對條件下的木材的實際最終含水率?？諝庵械臏亍穸葘δ静钠胶夂实淖兓袥Q定性的作用。因環(huán)境的不同， 木材平衡含水率可分為人工不可調(diào)性和人工可調(diào)性兩種情況。在天然（氣干）情況下，木材平衡含水率只能隨當?shù)貧夂颍?、濕度）的變?而變化，即人工不可調(diào)性。我國幅員遼闊，一年四季中各地溫、濕度情況相差較大， 木材平衡含水率的數(shù)值也不一樣。第四節(jié)木材的干縮和濕脹濕木材經(jīng)過干燥后，它的外形尺寸或體積要縮減，這種現(xiàn)象叫做木材的干縮。 干木材通過吸收水分后，它的外形尺寸或體積要增加，這種現(xiàn)象叫木材的濕脹。木材干縮和濕脹的現(xiàn)

7、象都是當木材的含水率在纖維飽和點以下時發(fā)生的。當細 胞腔的自由水減少時，木材的尺寸不隨著改變。當細胞壁的吸著水減少時，木材的 尺寸就隨著減小。因為細胞壁內(nèi)的微纖維之間及微膠粒之間具有的空隙在吸著水排 除后而縮小，使細胞壁的厚度變薄，所以木材就產(chǎn)生了干縮現(xiàn)象。當木材的含水率 很低或達到近似絕干的程度時，木材會從空氣中吸收水分，這些水分基本吸著（吸 附）在細胞壁上，使細胞壁加厚，木材就產(chǎn)生了濕脹現(xiàn)象。木材的干縮和濕脹是指木材處于一定的溫、濕度環(huán)境條件狀態(tài)下所產(chǎn)生的現(xiàn)象C木材被浸泡在水中所產(chǎn)生的現(xiàn)象則是另外情況，不在本概念解釋范圍之內(nèi)。木材的干縮和濕脹是木材的固有特性。由于這種特性的存在，使木制品的

8、尺寸 發(fā)生變化，嚴重時由于木材幵裂和變形，導致木制品報廢。為此，木材的干縮和濕 脹現(xiàn)象是影響木材實木加工的重要因素。常規(guī)室干和其它人工干燥法是解決這個問 題的主要途徑。根據(jù)木材的用途和地區(qū)的環(huán)境條件，通過常規(guī)室干等人工干燥處理 的方法把木材的含水率干燥到所要求的程度，使木材基本不發(fā)生干縮和濕脹的現(xiàn)象,木材的尺寸相對穩(wěn)定，木材就不會出現(xiàn)幵裂和變形等問題，保證了木制品的質(zhì)量。在木材加工生產(chǎn)中，一般都是把濕木材干燥到符合要求的含水率后再使用，這 個含水率數(shù)值都低于纖維飽和點， 所以木材干縮量的多少是生產(chǎn)中必須考慮的問題。木材沿縱向的干縮極小，由生材到全干材的干縮率只是原尺寸的0.1 0.3 ，最大為

9、 1，可以忽略不計。 弦向干縮最大， 為 8 12；徑向干縮為 4.5 8 邊材的干縮大于心材。木材沿著年輪方向的干縮叫做弦向干縮；沿著樹干半徑方向或木射線方向的干 縮叫做徑向干縮； 整塊木材由濕材狀態(tài)干燥到絕干狀態(tài)時體積的干縮叫做體積干縮。纖維飽和點以下吸著水每減少 1的含水率所引起的干縮的數(shù)值叫做干縮系數(shù) K（ %）。弦向干縮系數(shù)用 K 弦（ %）表示；徑向干縮系數(shù)用 K 徑（%）表示；體積干縮系 數(shù)用K體（%表示。第五節(jié)木材內(nèi)部水分的移動及影響因子一、 木材內(nèi)部水分的移動在干燥過程中，木材的水分是由木材的內(nèi)部通過木材的表面向外移動的。從木 材干燥的角度講，木材在由濕變干的過程中，首先蒸發(fā)

10、的是自由水，然后排出部分 吸著水。因為木材是具有一定厚度的，在其心層（內(nèi)部）與表層（表面層）之間就 會形成一個含水率差值，木材的心層含水率高，表層的含水率低，一般把這種現(xiàn)象 叫做含水率梯度（或水分梯度） 。含水率梯度促使木材內(nèi)部的水分向外移動。木材的 組成部分細胞具有大小差異不同而又有相互聯(lián)系的大毛細管系統(tǒng)和微毛細管系 統(tǒng)，木材中的水分不是以一種形式通過這兩個系統(tǒng)作簡單的移動的，而是一個復雜 的過程。當將一塊濕板材放在空氣中時，表層的自由水先蒸發(fā)，當表層的自由水蒸 發(fā)完畢后，表層的吸著水開始蒸發(fā)一部分，使表層的含水率在纖維飽和點以下，此 時木材內(nèi)部的水分大于表層的水分，形成了內(nèi)高外低的含水率梯

11、度，木材內(nèi)部的水 分壓力大于木材外部的水分壓力。當木材的含水率處于纖維飽和點以下時，木材內(nèi) 部的水分同時以蒸汽和液體狀態(tài)沿著以下三種水分傳導徑路向表層移動：（1）微毛細管徑路。在毛細管張力的作用下，水分呈液體狀態(tài)沿著細胞壁的微 毛細管系統(tǒng)由內(nèi)向外移動。2）大毛細管徑路。在水蒸汽分壓差的作用下，水分呈蒸汽狀態(tài)沿著由相鄰的細胞腔等組成的大毛細管系統(tǒng)向木材表面擴散。（3）混合徑路。水分不斷交替地呈液體狀態(tài)和蒸汽狀態(tài)，沿著彼此相鄰的微毛 細管徑路和大毛細管徑路移動或擴散。二、 影響木材水分傳導的因子纖維飽和點以下木材中水分的移動情況對所有樹種都適用，但水分移動或擴散 的快慢要受木材的樹種、木材的部位、

12、水分移動方向、木材的溫度和木材含水率等 因子的影響。（ 1）木材的樹種。木材的樹種有針葉材和闊葉材之分。而闊葉樹材又有環(huán)孔材 和散孔材之分。環(huán)孔材的水分傳導小于散孔材和針葉材，干燥比較困難。蒙古櫟屬 于環(huán)孔材，所以它比較難干燥。而散孔材和針葉樹材隨著密度的增大其水分傳導逐 漸減小，干燥也比較困難。如落葉松屬于針葉樹材，因其密度較大，就比較難干燥。 我國東北地區(qū)用于木材加工生產(chǎn)的樹種大致有：針葉樹材：紅松，白松（樟子松、云杉等） ，落葉松。闊葉樹材：椴木、楊木、樺木、核桃木、黃波羅、榆木、色木、水曲柳、蒙古櫟。闊葉樹材中散孔材有：色木、樺木、椴木、楊木。闊葉樹材中環(huán)孔材有：蒙古櫟、水曲柳、榆木、

13、黃波羅。核桃楸屬于闊葉樹材中的半散孔材和半環(huán)孔材。（ 2）木材的部位。木材有邊材和心材之分。距離樹皮比較近的為邊材，距離原 木髓心比較近的為心材。邊材中的水分移動比心材的容易；心材中傳導水分的徑路 多數(shù)被堵塞，水分移動比較困難。所以，在一般情況下，邊材較心材易干燥。（ 3）木材水分移動方向。木材里的水分可以順著纖維方向移動，從木材的兩個 端頭排出，也可以橫跨纖維方向移動，從木材側(cè)面排出，這是木材的水分傳導性。對于大多數(shù)木材而言，長度遠大于寬度和厚度，木材鋸材的側(cè)面積與上、下表面積 遠遠大于木材的兩個端頭的面積。為此，對于木材的鋸材干燥起決定作用的是水分 從鋸材的側(cè)面和上、下表面的蒸發(fā)，主要依靠

14、橫跨纖維方向的水分傳導，尤其是沿 著鋸材厚度（上、下表面）方向橫跨纖維方向的水分傳導，所以在木材干燥中只考 慮水分橫紋方向的水分傳導。（ 4）木材的溫度。在木材中，沿著各種水分傳導徑路的水分移動速度均隨著溫 度的升高而急劇地增大。木材的溫度高，干燥速度快。（ 5）木材含水率。當含水率降低時，微毛細管系統(tǒng)水分傳導徑路的效率降低， 大毛細管系統(tǒng)水分傳導徑路的效率增高。當含水率升高時，則影響不大。根據(jù)有關(guān) 實驗分析，木材含水率從 5%變化到纖維飽和點時，木材的水分傳導無明顯變化。第六節(jié)木材干燥曲線和木材干燥的三要素一、木材干燥曲線木材干燥曲線也叫干燥曲線，是描述木材在干燥過程中木材含水率與時間的關(guān)

15、系曲線。從干燥曲線中可以看出，木材干燥的全過程分為三個階段：預(yù)熱階段、等 速干燥階段和減速干燥階段。（ 1）預(yù)熱階段。木材干燥開始階段在暫時不讓木材中的水分向外蒸發(fā)的條件下， 對木材進行預(yù)熱處理，把木材的溫度從常溫加熱到干燥所需要溫度。一般是沿著木 材厚度方向加溫，表層到心層的溫度要趨于一致，均勻熱透。采取的辦法是，在提 高干燥室內(nèi)干燥介質(zhì)（如空氣）的溫度的同時，將干燥介質(zhì)的濕度提高到飽和或接 近飽和狀態(tài)。由于在這個階段中木材的含水率不下降，因此干燥曲線是水平的。（2）等速干燥階段。干燥曲線中呈線性狀態(tài)的曲線表示等速干燥階段。木材經(jīng) 過預(yù)熱后，按照干燥的要求，把干燥介質(zhì)的濕度降低，使木材開始進

16、行干燥。這個 階段是木材的自由水蒸發(fā)時期，只要干燥介質(zhì)的溫度、濕度和循環(huán)氣流速度不變， 木材含水率下降的速度也保持不變。當?shù)人俑稍镫A段達到終點時，木材表層的自由 水已經(jīng)全部排出，但木材內(nèi)部的自由水仍然存在，只是由于水分移動的阻力更大，已不能維持初期的干燥速度等速干燥階段內(nèi)，當干燥介質(zhì)的溫度越高、濕度越低時，自由水蒸發(fā)的就越強 烈。必須要有足夠的氣流速度來吹散并破壞木材表面的飽和蒸汽和蒸汽滯層 （界層）， 以保持相等的干燥速度。（3）減速干燥階段。等速干燥階段結(jié)束以后，木材中的自由水分基本被蒸發(fā)干 凈，吸著水開始蒸發(fā)。隨著蒸發(fā)過程的進行，吸著水的數(shù)量逐漸減少，水分蒸發(fā)時 需要的熱量越來越多，含水

17、率下降的速度越來越慢，因此稱為減速干燥階段。在這 個階段，要提高木材水分的蒸發(fā)速度，必須將干燥介質(zhì)的溫度提高、濕度降低，并 保持一定的氣流循環(huán)速度。當木材中沒有被蒸發(fā)的吸著水含量達到木材最終含水率 要求時，木材干燥過程結(jié)束。二、木材干燥的三要素通過木材干燥曲線對木材干燥過程的描述可以知道，決定木材干燥速度的因子 有干燥介質(zhì)的溫度、濕度、氣流速度，木材的溫度和木材含水率梯度。在這幾個因 子中，木材含水率梯度是決定木材干燥速度的主要內(nèi)因。干燥介質(zhì)的溫度、濕度和 氣流速度是決定木材干燥速度的主要外因，即木材干燥速度的內(nèi)部條件主要是木材 含水率梯度，外部條件主要是干燥介質(zhì)的溫度、濕度和氣流速度。含水率

18、梯度越大，水分由內(nèi)向外移動越快，木材干燥速度越快，但在比較大的 含水率梯度下進行干燥處理，對木材的完整性和機械性質(zhì)都將產(chǎn)生不良影響，如木 材的開裂和變形等。所以，木材干燥速度不應(yīng)該過分地依靠含水率梯度加大。干燥介質(zhì)的溫度決定了木材的溫度和木材中水分的溫度，是直接促進木材干燥 的因子，它為木材的加速干燥創(chuàng)造了有利條件。在常規(guī)室干中，如果把濕空氣（簡 稱空氣）作為干燥介質(zhì)，采用高溫雖然能加快干燥速度，但由于高溫空氣可能會使 木材的某些性能發(fā)生變化，對木材產(chǎn)生不利影響，因此一般把空氣的溫度限制在 100C以下。干燥介質(zhì)的濕度是對木材干燥速度起著制約作用的因子。在干燥介質(zhì)的溫度一定時，溫度越高，木材干

19、燥的速度越慢；濕度越低，木材干燥的速度越快。干燥介質(zhì)的氣流速度是保證溫度和濕度充分發(fā)揮作用的因子。氣流的運轉(zhuǎn)可以 吹散木材表面上的飽和水蒸汽層，使已從木材表面吸收水分的干燥介質(zhì)（如濕空氣） 被迅速驅(qū)走，同時把干燥介質(zhì)的熱量傳給木材。所以，干燥介質(zhì)的氣流速度越快， 木材干燥速度就越快。在常規(guī)室干中，干燥介質(zhì)的氣流速度越快，被干燥的木材堆（木堆、材堆）進口和出口的氣流速度差值就越小，干燥介質(zhì)的溫度就越均勻。但 是，氣流速度過快，則會浪費動力能源，增加干燥成本。因此，氣流速度要選擇適 當。一般要求常規(guī)室干的氣流速度應(yīng)在23m/s的范圍，高溫室干的氣流速度應(yīng)在35m/s的范圍。隨著天然林資源的逐年減少

20、，大徑級原木的數(shù)量越來越少，小徑級原木（小徑 木）在大量增加。在干燥小徑木鋸材過程中一般要求氣流速度在1 1.5m/s范圍，主要是因為氣流速度過大極易導致木材幵裂。所以，用語小徑木鋸材干燥的干燥室，一定要注意選擇合理的氣流速度，否則將會導致不必要的損失和浪費。干燥介質(zhì)的溫度、濕度和氣流速度是木材干燥外部條件中決定木材干燥質(zhì)量和 木材干燥速度堵塞重要組成部分，被稱為木材干燥的三要素。這三個要素在木材干 燥過程中聯(lián)系緊密，缺一不可。木材的快速干燥原則是：在保證木材干燥質(zhì)量的前 提下，合理的控制干燥介質(zhì)的溫度、濕度和氣流速度，將能源消耗控制在最小范圍， 盡量提高木材的干燥速度。第七節(jié)木材干燥過程中產(chǎn)

21、生應(yīng)力的基本概念在干燥過程中，如果木材內(nèi)存在比較大的含水率梯度，干燥速度過快時，就會 使木材產(chǎn)生應(yīng)力和變形。含水率分布不均勻會引起木材產(chǎn)生暫時的應(yīng)力和變形，等含水率均勻后，其應(yīng) 力和變形隨之消失，這個應(yīng)力叫做含水率應(yīng)力，變形叫做含水率變形或彈性變形。 這說明木材具有彈性，除此而外木材還具有塑性。 在含水率應(yīng)力與變形持續(xù)的期間， 由于熱濕的作用，木材的外層或內(nèi)層發(fā)生塑性變形，使得在含水率分布均勻后，塑性變形的部分不能恢復到原來尺寸，也不能減少到應(yīng)當干縮的尺寸，并且保持著一 部分應(yīng)力，這種變形叫做殘余變形，這種應(yīng)力叫做殘余應(yīng)力。含水率應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和等于全應(yīng)力。在木材干燥過程中，全應(yīng)力影響木材的

22、質(zhì)量。干燥過程結(jié)束后，繼續(xù)影響木材 質(zhì)量的是殘余應(yīng)力。為此，殘余應(yīng)力越小越好。應(yīng)力在木材干燥過程中的變化可分為四個階段，即干燥剛開始階段、干燥初期 階段、干燥中間階段及干燥終了階段。（1）干燥剛開始階段。此時木材內(nèi)外各部分都還沒有發(fā)生干縮，木材內(nèi)不存在 含水率應(yīng)力和殘余應(yīng)力。（2）干燥初期階段。此時木材的心層還保持著比較高的含水率，而木材表層的 自由水在迅速蒸發(fā)，隨著水分蒸發(fā)的深入，吸著水也在逐步排出，與此同時，木材 表層開始干縮，心層還沒有干縮。心層受到表層的壓縮，表層受到拉伸。所以，木 材干燥初期階段的內(nèi)應(yīng)力是表層受到拉應(yīng)力、心層受到壓應(yīng)力，這種應(yīng)力是由木材 的含水率梯度造成的。雖然木材內(nèi)

23、部的水分移動要借助于含水率梯度，允許這種應(yīng) 力在一定時間內(nèi)存在， 但它不宜過大和時間不宜過長， 否則將引起木材的表面干裂 在這個階段要充分利用木材的含水率梯度，但不能使木材應(yīng)力過大。在干燥過程中 采用的方法是：對被干木材進行定期的熱濕處理并保持一定時間的高濕度，以提高 木材的表層含水率，使已固定的塑性變形的部分重新得以軟化并濕脹伸張，從而消 除或減小表層的拉應(yīng)力和心層的壓應(yīng)力。盡管如此，干燥初期階段是干燥過程中比 較安全的階段，是可以提高干燥速度的階段。（ 3）干燥中期階段。此時木材內(nèi)部的含水率已下降到纖維飽和點以下。假如在 干燥初期階段對被干木材沒有進行熱濕處理，則木材表層已失去正常的干縮條件而 固定于伸張狀態(tài)。此時盡管木材心層的含水率高于表層的含水率，但是心層木材干 縮的程度類似于表層木材在塑化固定前所產(chǎn)生的不完全干縮。木材的內(nèi)部尺寸與外 部尺寸暫時平衡，因此木材的內(nèi)應(yīng)力也暫時處于平衡狀態(tài)。在這個階段，木材內(nèi)部的水分向表面移動的距離加長，木材干燥更困難、更緩慢。如果木材的表層干燥過 快，心層的水分來不及移動到表層，就會造成木材外部很干、內(nèi)部很濕的所謂