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木材中水分的組成和對(duì)木材干燥的影響

木材是由細(xì)胞組成的，每個(gè)細(xì)胞又是由細(xì)胞腔和細(xì)胞壁組成的。細(xì)胞壁上所具有的紋孔，使每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞腔相互連接，構(gòu)成了大毛細(xì)管系統(tǒng)；而細(xì)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(xì)管系統(tǒng)，木材中的水分就存在于這兩個(gè)毛細(xì)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(xì)管水），存在于細(xì)胞腔中；2、吸著水（吸附水、結(jié)合水、細(xì)胞壁水），存在于細(xì)胞壁中；3、化合水：與細(xì)胞壁組成物質(zhì)呈化學(xué)結(jié)合狀態(tài)。它們均沿著系統(tǒng)的通路向縱橫方向擴(kuò)散。

細(xì)胞腔中的自由水被蒸發(fā)后，細(xì)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(xì)胞內(nèi)的微毛細(xì)管則具有從空氣中釋放水分的能力，它直接影響木材的強(qiáng)度和脹縮（體積或尺寸的變化），即木材的穩(wěn)定性�；�合水在木材中極少，因而對(duì)木材的性質(zhì)無影響，所以木材處于干燥狀態(tài)時(shí)，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(huì)導(dǎo)致木材產(chǎn)生開裂和變形，影響了木材在后續(xù)加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(diǎn)和木材平衡含水率

當(dāng)細(xì)胞腔內(nèi)的自由水已蒸發(fā)干凈而細(xì)胞壁中的吸著水處于飽和狀態(tài)時(shí)，木材含水率的狀態(tài)點(diǎn)叫做纖維飽和點(diǎn)。纖維飽和點(diǎn)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(dāng)空氣的溫度在常溫（20℃）、相對(duì)濕度在100％時(shí)，其變化范圍為23％—33％，平均值約為30％，所以人們習(xí)慣性認(rèn)為木材在纖維飽和點(diǎn)時(shí)的含水率為30％。但纖維飽和點(diǎn)是隨著溫度的升高而變小的。常溫狀態(tài)下為30％；60—70℃時(shí)降低到26％；100℃時(shí)降到22％；120℃時(shí)降到18％。

木材平衡含水率是指細(xì)碎木材的干燥狀態(tài)達(dá)到與周圍介質(zhì)（如空氣）的溫、濕度相平衡的含水率。木材平衡含水率隨空氣的溫、濕度變化而變化。當(dāng)空氣的溫、濕度一定時(shí)，木材平衡含水率也一定。木材的實(shí)際含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，如果把木材放在這個(gè)環(huán)境中，木材的實(shí)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(shí)際含水率不同，這個(gè)過程產(chǎn)生的現(xiàn)象是不一樣的。因組成木材的細(xì)胞中細(xì)胞壁具有從空氣中吸收和釋放水分的能力，當(dāng)木材的實(shí)際含水率高于該環(huán)境下的木材平衡含水率的數(shù)值時(shí)，木材就向空氣中釋放水分，這種現(xiàn)象叫做解吸。當(dāng)木材的實(shí)際含水率低于該環(huán)境下的木材平衡含水率時(shí)，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(shí)際含水率數(shù)值都將與空氣中的木材平衡含水率相近后才能相對(duì)穩(wěn)定不便�？梢哉f，某一相對(duì)穩(wěn)定的、濕度環(huán)境條件就決定了該相對(duì)條件下的木材的實(shí)際最終含水率。

空氣中的溫、濕度對(duì)木材平衡含水率的變化有決定性的作用。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(dāng)?shù)貧夂颍���、濕度）的變化而變化，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)象都是當(dāng)木材的含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)發(fā)生的。當(dāng)細(xì)胞腔的自由水減少時(shí)，木材的尺寸不隨著改變。當(dāng)細(xì)胞壁的吸著水減少時(shí)，木材的尺寸就隨著減小。因?yàn)榧?xì)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(xì)胞壁的厚度變薄，所以木材就產(chǎn)生了干縮現(xiàn)象。當(dāng)木材的含水率很低或達(dá)到近似絕干的程度時(shí)，木材會(huì)從空氣中吸收水分，這些水分基本吸著（吸附）在細(xì)胞壁上，使細(xì)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。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，使木制品的尺寸發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)由于木材開裂和變形，導(dǎo)致木制品報(bào)廢。為此，木材的干縮和濕脹現(xiàn)象是影響木材實(shí)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(gè)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(duì)穩(wěn)定，木材就不會(huì)出現(xiàn)開裂和變形等問題，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(gè)含水率數(shù)值都低于纖維飽和點(diǎn)，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1％，可以忽略不計(jì)。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(shí)體積的干縮叫做體積干縮。

纖維飽和點(diǎn)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(dòng)及影響因子

•  木材內(nèi)部水分的移動(dòng)

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(dòng)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)的是自由水，然后排出部分吸著水。因?yàn)槟静氖蔷哂幸欢ê穸鹊�，在其心層（�?nèi)部）與表層（表面層）之間就會(huì)形成一個(gè)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(dòng)。木材的組成部分——細(xì)胞具有大小差異不同而又有相互聯(lián)系的大毛細(xì)管系統(tǒng)和微毛細(xì)管系統(tǒng)，木材中的水分不是以一種形式通過這兩個(gè)系統(tǒng)作簡(jiǎn)單的移動(dòng)的，而是一個(gè)復(fù)雜的過程。當(dāng)將一塊濕板材放在空氣中時(shí)，表層的自由水先蒸發(fā)，當(dāng)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(diǎn)以下，此時(shí)木材內(nèi)部的水分大于表層的水分，形成了內(nèi)高外低的含水率梯度，木材內(nèi)部的水分壓力大于木材外部的水分壓力。當(dāng)木材的含水率處于纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，木材內(nèi)部的水分同時(shí)以蒸汽和液體狀態(tài)沿著以下三種水分傳導(dǎo)徑路向表層移動(dòng)：

（1）微毛細(xì)管徑路。在毛細(xì)管張力的作用下，水分呈液體狀態(tài)沿著細(xì)胞壁的微毛細(xì)管系統(tǒng)由內(nèi)向外移動(dòng)。

（2）大毛細(xì)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(xì)胞腔等組成的大毛細(xì)管系統(tǒng)向木材表面擴(kuò)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(xì)管徑路和大毛細(xì)管徑路移動(dòng)或擴(kuò)散。

• 影響木材水分傳導(dǎo)的因子

纖維飽和點(diǎn)以下木材中水分的移動(dòng)情況對(duì)所有樹種都適用，但水分移動(dòng)或擴(kuò)散的快慢要受木材的樹種、木材的部位、水分移動(dòng)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(dǎo)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(dǎo)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、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(dòng)比心材的容易；心材中傳導(dǎo)水分的徑路多數(shù)被堵塞，水分移動(dòng)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(dòng)方向。木材里的水分可以順著纖維方向移動(dòng)，從木材的兩個(gè)端頭排出，也可以橫跨纖維方向移動(dòng)，從木材側(cè)面排出，這是木材的水分傳導(dǎo)性。對(duì)于大多數(shù)木材而言，長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度和厚度，木材鋸材的側(cè)面積與上、下表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于木材的兩個(gè)端頭的面積。為此，對(duì)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)，主要依靠橫跨纖維方向的水分傳導(dǎo)，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(dǎo)，所以在木材干燥中只考慮水分橫紋方向的水分傳導(dǎo)。

（4）木材的溫度。在木材中，沿著各種水分傳導(dǎo)徑路的水分移動(dòng)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(dāng)含水率降低時(shí)，微毛細(xì)管系統(tǒng)水分傳導(dǎo)徑路的效率降低，大毛細(xì)管系統(tǒng)水分傳導(dǎo)徑路的效率增高。當(dāng)含水率升高時(shí)，則影響不大。根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)分析，木材含水率從5%變化到纖維飽和點(diǎn)時(shí)，木材的水分傳導(dǎo)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(shí)間的關(guān)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(gè)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(shí)不讓木材中的水分向外蒸發(fā)的條件下，對(duì)木材進(jìn)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(shí)，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(gè)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(jìn)行干燥。這個(gè)階段是木材的自由水蒸發(fā)時(shí)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(dāng)?shù)人俑稍镫A段達(dá)到終點(diǎn)時(shí)，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(dòng)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(dāng)干燥介質(zhì)的溫度越高、濕度越低時(shí)，自由水蒸發(fā)的就越強(qiáng)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(jìn)行，吸著水的數(shù)量逐漸減少，水分蒸發(fā)時(shí)需要的熱量越來越多，含水率下降的速度越來越慢，因此稱為減速干燥階段。在這個(gè)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(dāng)木材中沒有被蒸發(fā)的吸著水含量達(dá)到木材最終含水率要求時(shí)，木材干燥過程結(jié)束。