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第二章木材中的水分与木材干燥

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第二章木材中的水分与木材干燥
当木材中含有的水分过多时，会影响其产品的质量，所以要对木材进行干燥处理。本章主要从木材中的水分及其与木材干燥的关系方面作一简单的介绍。
第一节木材中的水分和木材含水率
木材中所含水分数量的多少用“木材含水率”表示。它是木材中水分的重量与木材重量的百分比（％）。
含水率可以用绝干木材的重量作为计算基础，得到的数值叫做绝对含水率，并简称为含水率，木材干燥生产中一般采用绝对含水率（即含水率）来计算和反映木材的实际含水率状态，而相对含水率只用于木材作为燃料时的含水率计算。
木材按干湿程度可分5级：
湿材：长期放在水内，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材。
半干材：含水率小于生材的木材。
气干材：长期在大气中干燥，基本上停止蒸发水分的木材。这种木材的含水率因各地的干湿情况而有所不同，变化范围一般在8％—20％之间。
室（窑）干材：经过（窑）干处理，含水率为7％—15％的木材。
第二节木材中水分的组成和对木材干燥的影响
木材是由细胞组成的，每个细胞又是由细胞腔和细胞壁组成的。细胞壁上所具有的纹孔，使每个细胞的细胞腔相互连接，构成了大毛细管系统；而细胞壁主要是由微纤维组成，微纤维又由微胶粒构成，微纤维之间及微胶粒之间具有的空隙构成了微毛细管系统，木材中的水分就存在于这两个毛细管系统之中。因水分存在的系统不同而分为三种：1、自由水（毛细管水），存在于细胞腔中；2、吸着水（吸附水、结合水、细胞壁水），存在于细胞壁中；3、化合水：与细胞壁组成物质呈化学结合状态。它们均沿着系统的通路向纵横方向扩散。
细胞腔中的自由水被蒸发后，细胞便不能从空气中再吸收水分，因而影响木材的重量、燃烧力、干燥性、液体渗透性和耐久性。而细胞内的微毛细管则具有从空气中释放水分的能力，它直接影响木材的强度和胀缩（体积或尺寸的变化），即木材的稳定性。化合水在木材中极少，因而对木材的性质无影响，所以木材处于干燥状态时，自由水的蒸发只是减轻了木材的重量。而吸着水的蒸发则使木材产生了干缩，如果木材干缩不均匀，就会导致木材产生开裂和变形，影响了木材在后续加工中的正常使用和木制品的产品质量。
第三节木材的纤维饱和点和木材平衡含水率
当细胞腔内的自由水已蒸发干净而细胞壁中的吸着水处于饱和状态时，木材含水率的状态点叫做纤维饱和点。纤维饱和点的含水率随树种和温度的不同而存在着差异。但大多数木材，当空气的温度在常温（20℃）、相对湿度在100％时，其变化范围为23％—33％，平均值约为30％，所以人们习惯性认为木材在纤维饱和点时的含水率为30％。但纤维饱和点是随着温度的升高而变小的。常温状态下为30％；60—70℃时降低到26％；100℃时降到22％；120℃时降到18％。
木材平衡含水率是指细碎木材的干燥状态达到与周围介质（如空气）的温、湿度相平衡的含水率。木材平衡含水率随空气的温、湿度变化而变化。当空气的温、湿度一定时，木材平衡含水率也一定。木材的实际含水率在纤维饱和点以下时，如果把木材放在这个环境中，木材的实际含水率将朝着与该环境下的木材平衡含水率数值相近的方向变化。因木材实际含水率不同，这个过程产生的现象是不一样的。因组成木材的细胞中细胞壁具有从空气中吸收和释放水分的能力，当木材的实际含水率高于该环境下的木材平衡含水率的数值时，木材就向空气中释放水分，这种现象叫做解吸。当木材的实际含水率低于该环境下的木材平衡含水率时，木材就从空气中吸收水分，这种现象叫做吸湿。无论是解吸还是吸湿，木材的实际含水率数值都将与空气中的木材平衡含水率相近后才能相对稳定不便。可以说，某一相对稳定的、湿度环境条件就决定了该相对条件下的木材的实际最终含水率。
空气中的温、湿度对木材平衡含水率的变化有决定性的作用。因环境的不同，木材平衡含水率可分为人工不可调性和人工可调性两种情况。
在天然（气干）情况下，木材平衡含水率只能随当地气候（温、湿度）的变化而变化，即人工不可调性。我国幅员辽阔，一年四季中各地温、湿度情况相差较大，木材平衡含水率的数值也不一样。
第四节木材的干缩和湿胀
湿木材经过干燥后，它的外形尺寸或体积要缩减，这种现象叫做木材的干缩。干木材通过吸收水分后，它的外形尺寸或体积要增加，这种现象叫木材的湿胀。
木材干缩和湿胀的现象都是当木材的含水率在纤维饱和点以下时发生的。当细胞腔的自由水减少时，木材的尺寸不随着改变。当细胞壁的吸着水减少时，木材的尺寸就随着减小。因为细胞壁内的微纤维之间及微胶粒之间具有的空隙在吸着水排除后而缩小，使细胞壁的厚度变薄，所以木材就产生了干缩现象。当木材的含水率很低或达到近似绝干的程度时，木材会从空气中吸收水分，这些水分基本吸着（吸附）在细胞壁上，使细胞壁加厚，木材就产生了湿胀现象。
木材的干缩和湿胀是指木材处于一定的温、湿度环境条件状态下所产生的现象。木材被浸泡在水中所产生的现象则是另外情况，不在本概念解释范围之内。
木材的干缩和湿胀是木材的固有特性。由于这种特性的存在，使木制品的尺寸发生变化，严重时由于木材开裂和变形，导致木制品报废。为此，木材的干缩和湿胀现象是影响木材实木加工的重要因素。常规室干和其它人工干燥法是解决这个问题的主要途径。根据木材的用途和地区的环境条件，通过常规室干等人工干燥处理的方法把木材的含水率干燥到所要求的程度，使木材基本不发生干缩和湿胀的现象，木材的尺寸相对稳定，木材就不会出现开裂和变形等问题，保证了木制品的质量。
在木材加工生产中，一般都是把湿木材干燥到符合要求的含水率后再使用，这个含水率数值都低于纤维饱和点，所以木材干缩量的多少是生产中必须考虑的问题。
木材沿纵向的干缩极小，由生材到全干材的干缩率只是原尺寸的0.1—0.3％，最大为1％，可以忽略不计。弦向干缩最大，为8％—12％；径向干缩为4.5％—8％。边材的干缩大于心材。
木材沿着年轮方向的干缩叫做弦向干缩；沿着树干半径方向或木射线方向的干缩叫做径向干缩；整块木材由湿材状态干燥到绝干状态时体积的干缩叫做体积干缩。
纤维饱和点以下吸着水每减少1％的含水率所引起的干缩的数值叫做干缩系数K（%）。弦向干缩系数用K弦（%）表示；径向干缩系数用K径（%）表示；体积干缩系数用K体（%）表示。
第五节木材内部水分的移动及影响因子
一、 木材内部水分的移动
在干燥过程中，木材的水分是由木材的内部通过木材的表面向外移动的。从木材干燥的角度讲，木材在由湿变干的过程中，首先蒸发的是自由水，然后排出部分吸着水。因为木材是具有一定厚度的，在其心层（内部）与表层（表面层）之间就会形成一个含水率差值，木材的心层含水率高，表层的含水率低，一般把这种现象叫做含水率梯度（或水分梯度）。含水率梯度促使木材内部的水分向外移动。木材的组成部分——细胞具有大小差异不同而又有相互联系的大毛细管系统和微毛细管系统，木材中的水分不是以一种形式通过这两个系统作简单的移动的，而是一个复杂的过程。当将一块湿板材放在空气中时，表层的自由水先蒸发，当表层的自由水蒸发完毕后，表层的吸着水开始蒸发一部分，使表层的含水率在纤维饱和点以下，此时木材内部的水分大于表层的水分，形成了内高外低的含水率梯度，木材内部的水分压力大于木材外部的水分压力。当木材的含水率处于纤维饱和点以下时，木材内部的水分同时以蒸汽和液体状态沿着以下三种水分传导径路向表层移动：
（1）微毛细管径路。在毛细管张力的作用下，水分呈液体状态沿着细胞壁的微毛细管系统由内向外移动。
（2）大毛细管径路。在水蒸汽分压差的作用下，水分呈蒸汽状态沿着由相邻的细胞腔等组成的大毛细管系统向木材表面扩散。
（3）混合径路。水分不断交替地呈液体状态和蒸汽状态，沿着彼此相邻的微毛细管径路和大毛细管径路移动或扩散。
二、 影响木材水分传导的因子
纤维饱和点以下木材中水分的移动情况对所有树种都适用，但水分移动或扩散的快慢要受木材的树种、木材的部位、水分移动方向、木材的温度和木材含水率等因子的影响。
（1）木材的树种。木材的树种有针叶材和阔叶材之分。而阔叶树材又有环孔材和散孔材之分。环孔材的水分传导小于散孔材和针叶材，干燥比较困难。蒙古栎属于环孔材，所以它比较难干燥。而散孔材和针叶树材随着密度的增大其水分传导逐渐减小，干燥也比较困难。如落叶松属于针叶树材，因其密度较大，就比较难干燥。我国东北地区用于木材加工生产的树种大致有：
针叶树材：红松，白松（樟子松、云杉等），落叶松。
阔叶树材：椴木、杨木、桦木、核桃木、黄波罗、榆木、色木、水曲柳、蒙古栎。
阔叶树材中散孔材有：色木、桦木、椴木、杨木。
阔叶树材中环孔材有：蒙古栎、水曲柳、榆木、黄波罗。
核桃楸属于阔叶树材中的半散孔材和半环孔材。
（2）木材的部位。木材有边材和心材之分。距离树皮比较近的为边材，距离原木髓心比较近的为心材。边材中的水分移动比心材的容易；心材中传导水分的径路多数被堵塞，水分移动比较困难。所以，在一般情况下，边材较心材易干燥。
（3）木材水分移动方向。木材里的水分可以顺着纤维方向移动，从木材的两个端头排出，也可以横跨纤维方向移动，从木材侧面排出，这是木材的水分传导性。对于大多数木材而言，长度远大于宽度和厚度，木材锯材的侧面积与上、下表面积远远大于木材的两个端头的面积。为此，对于木材的锯材干燥起决定作用的是水分从锯材的侧面和上、下表面的蒸发，主要依靠横跨纤维方向的水分传导，尤其是沿着锯材厚度（上、下表面）方向横跨纤维方向的水分传导，所以在木材干燥中只考虑水分横纹方向的水分传导。
（4）木材的温度。在木材中，沿着各种水分传导径路的水分移动速度均随着温度的升高而急剧地增大。木材的温度高，干燥速度快。
（5）木材含水率。当含水率降低时，微毛细管系统水分传导径路的效率降低，大毛细管系统水分传导径路的效率增高。当含水率升高时，则影响不大。根据有关实验分析，木材含水率从5%变化到纤维饱和点时，木材的水分传导无明显变化。
第六节木材干燥曲线和木材干燥的三要素
一、木材干燥曲线
木材干燥曲线也叫干燥曲线，是描述木材在干燥过程中木材含水率与时间的关系曲线。从干燥曲线中可以看出，木材干燥的全过程分为三个阶段：预热阶段、等速干燥阶段和减速干燥阶段。
（1）预热阶段。木材干燥开始阶段在暂时不让木材中的水分向外蒸发的条件下，对木材进行预热处理，把木材的温度从常温加热到干燥所需要温度。一般是沿着木材厚度方向加温，表层到心层的温度要趋于一致，均匀热透。采取的办法是，在提高干燥室内干燥介质（如空气）的温度的同时，将干燥介质的湿度提高到饱和或接近饱和状态。由于在这个阶段中木材的含水率不下降，因此干燥曲线是水平的。
（2）等速干燥阶段。干燥曲线中呈线性状态的曲线表示等速干燥阶段。木材经过预热后，按照干燥的要求，把干燥介质的湿度降低，使木材开始进行干燥。这个阶段是木材的自由水蒸发时期，只要干燥介质的温度、湿度和循环气流速度不变，木材含水率下降的速度也保持不变。当等速干燥阶段达到终点时，木材表层的自由水已经全部排出，但木材内部的自由水仍然存在，只是由于水分移动的阻力更大，已不能维持初期的干燥速度。
等速干燥阶段内，当干燥介质的温度越高、湿度越低时，自由水蒸发的就越强烈。必须要有足够的气流速度来吹散并破坏木材表面的饱和蒸汽和蒸汽滞层（界层），以保持相等的干燥速度。
（3）减速干燥阶段。等速干燥阶段结束以后，木材中的自由水分基本被蒸发干净，吸着水开始蒸发。随着蒸发过程的进行，吸着水的数量逐渐减少，水分蒸发时需要的热量越来越多，含水率下降的速度越来越慢，因此称为减速干燥阶段。在这个阶段，要提高木材水分的蒸发速度，必须将干燥介质的温度提高、湿度降低，并保持一定的气流循环速度。当木材中没有被蒸发的吸着水含量达到木材最终含水率要求时，木材干燥过程结束。
二、木材干燥的三要素
通过木材干燥曲线对木材干燥过程的描述可以知道，决定木材干燥速度的因子有干燥介质的温度、湿度、气流速度，木材的温度和木材含水率梯度。在这几个因子中，木材含水率梯度是决定木材干燥速度的主要内因。干燥介质的温度、湿度和气流速度是决定木材干燥速度的主要外因，即木材干燥速度的内部条件主要是木材含水率梯度，外部条件主要是干燥介质的温度、湿度和气流速度。
含水率梯度越大，水分由内向外移动越快，木材干燥速度越快，但在比较大的含水率梯度下进行干燥处理，对木材的完整性和机械性质都将产生不良影响，如木材的开裂和变形等。所以，木材干燥速度不应该过分地依靠含水率梯度加大。
干燥介质的温度决定了木材的温度和木材中水分的温度，是直接促进木材干燥的因子，它为木材的加速干燥创造了有利条件。在常规室干中，如果把湿空气（简称空气）作为干燥介质，采用高温虽然能加快干燥速度，但由于高温空气可能会使木材的某些性能发生变化，对木材产生不利影响，因此一般把空气的温度限制在100℃以下。
干燥介质的湿度是对木材干燥速度起着制约作用的因子。在干燥介质的温度一定时，温度越高，木材干燥的速度越慢；湿度越低，木材干燥的速度越快。
干燥介质的气流速度是保证温度和湿度充分发挥作用的因子。气流的运转可以吹散木材表面上的饱和水蒸汽层，使已从木材表面吸收水分的干燥介质（如湿空气）被迅速驱走，同时把干燥介质的热量传给木材。所以，干燥介质的气流速度越快，木材干燥速度就越快。在常规室干中，干燥介质的气流速度越快，被干燥的木材堆（木堆、材堆）进口和出口的气流速度差值就越小，干燥介质的温度就越均匀。但是，气流速度过快，则会浪费动力能源，增加干燥成本。因此，气流速度要选择适当。一般要求常规室干的气流速度应在2—3m/s的范围，高温室干的气流速度应在3—5m/s的范围。
随着天然林资源的逐年减少，大径级原木的数量越来越少，小径级原木（小径木）在大量增加。在干燥小径木锯材过程中一般要求气流速度在1—1.5m/s范围，主要是因为气流速度过大极易导致木材开裂。所以，用语小径木锯材干燥的干燥室，一定要注意选择合理的气流速度，否则将会导致不必要的损失和浪费。
干燥介质的温度、湿度和气流速度是木材干燥外部条件中决定木材干燥质量和木材干燥速度堵塞重要组成部分，被称为木材干燥的三要素。这三个要素在木材干燥过程中联系紧密，缺一不可。木材的快速干燥原则是：在保证木材干燥质量的前提下，合理的控制干燥介质的温度、湿度和气流速度，将能源消耗控制在最小范围，尽量提高木材的干燥速度。
第七节木材干燥过程中产生应力的基本概念
在干燥过程中，如果木材内存在比较大的含水率梯度，干燥速度过快时，就会使木材产生应力和变形。
含水率分布不均匀会引起木材产生暂时的应力和变形，等含水率均匀后，其应力和变形随之消失，这个应力叫做含水率应力，变形叫做含水率变形或弹性变形。这说明木材具有弹性，除此而外木材还具有塑性。在含水率应力与变形持续的期间，由于热湿的作用，木材的外层或内层发生塑性变形，使得在含水率分布均匀后，塑性变形的部分不能恢复到原来尺寸，也不能减少到应当干缩的尺寸，并且保持着一部分应力，这种变形叫做残余变形，这种应力叫做残余应力。
含水率应力与残余应力之和等于全应力。
在木材干燥过程中，全应力影响木材的质量。干燥过程结束后，继续影响木材质量的是残余应力。为此，残余应力越小越好。
应力在木材干燥过程中的变化可分为四个阶段，即干燥刚开始阶段、干燥初期阶段、干燥中间阶段及干燥终了阶段。
（1）干燥刚开始阶段。此时木材内外各部分都还没有发生干缩，木材内不存在含水率应力和残余应力。
（2）干燥初期阶段。此时木材的心层还保持着比较高的含水率，而木材表层的自由水在迅速蒸发，随着水分蒸发的深入，吸着水也在逐步排出，与此同时，木材表层开始干缩，心层还没有干缩。心层受到表层的压缩，表层受到拉伸。所以，木材干燥初期阶段的内应力是表层受到拉应力、心层受到压应力，这种应力是由木材的含水率梯度造成的。虽然木材内部的水分移动要借助于含水率梯度，允许这种应力在一定时间内存在，但它不宜过大和时间不宜过长，否则将引起木材的表面干裂。在这个阶段要充分利用木材的含水率梯度，但不能使木材应力过大。在干燥过程中采用的方法是：对被干木材进行定期的热湿处理并保持一定时间的高湿度，以提高木材的表层含水率，使已固定的塑性变形的部分重新得以软化并湿胀伸张，从而消除或减小表层的拉应力和心层的压应力。尽管如此，干燥初期阶段是干燥过程中比较安全的阶段，是可以提高干燥速度的阶段。
（3）干燥中期阶段。此时木材内部的含水率已下降到纤维饱和点以下。假如在干燥初期阶段对被干木材没有进行热湿处理，则木材表层已失去正常的干缩条件而固定于伸张状态。此时尽管木材心层的含水率高于表层的含水率，但是心层木材干缩的程度类似于表层木材在塑化固定前所产生的不完全干缩。木材的内部尺寸与外部尺寸暂时平衡，因此木材的内应力也暂时处于平衡状态。在这个阶段，木材内部的水分向表面移动的距离加长，木材干燥更困难、更缓慢。如果木材的表层干燥过快，心层的水分来不及移动到表层，就会造成木材外部很干、内部很湿的所谓“湿心”。木材的表层由于含水率极低又处于固定的拉伸变形状态，成为一层硬壳。它不仅使木材内部的水分难以通过木材的表面向外排出，而且还影响木材内部的干缩，这种现象称为“表面硬化”。如果不及时解除表面硬化，木材干燥将难以继续进行并产生严重的干燥缺陷。因此在这个干燥阶段，对被干木材必须进行热湿处理，用高温、高湿的方法把已塑化固定的木材表层重新吸湿软化，以此来解除木材的表面硬化。
（4）干燥终了阶段。这个阶段木材的含水率沿着木材断面各层已分布得比较均匀，从内到外的含水率梯度比较小。如果在上个阶段没有进行热湿处理，由于表层木材塑化变形的固定并已经停止干缩，它限制了心层木材随着吸着水的排出而应当形成的正常干缩，就产生了心层受拉伸、表层受压缩的应力，这个内应力的情况与干燥初期阶段相反。这个阶段的含水率梯度虽然不大，但是随着干燥的继续进行，内应力随之增加。如果不及时消除，当内应力超过心层木材的强度极限时就会出现内裂，即心层木材的拉应力超过心层木材的抗拉强度极限使之遭到破坏。产生内裂的木材将失去使用价值，造成严重的浪费，因此这个阶段的应力是很危险的，要及时消除。一般采用的方法仍是对被干木材进行热湿处理，使表层的木材在高温、高湿条件的作用下，重新湿润和软化并得到补充的干缩，从而使表层木材能与心层木材一起干缩，减少内层受拉和外层受压的应力。在整个木材干燥过程结束之后，木材内部还可能有残余应力。为消除这些残余应力，使木材在以后的加工和使用过程中不会发生开裂和变形等缺陷，还必须对被干木材进行热湿处理，才能保证最终的木材干燥质量。
总而言之，木材在干燥过程中的各个阶段始终存在着应力，这是不可避免的，它是造成木材干燥缺陷的主要原因。因此，为了保证干燥质量。在木材干燥过程中，要随时掌握木材的应力变化情况，并采取有效措施使它降低到安全程度。
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