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。化合水在木材中極少，因而對(duì)木材的性質(zhì)無(wú)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(kāi)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(shù)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?chē)橘|(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(guò)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(wú)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(shuō)，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(guó)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(guò)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(guò)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(kāi)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(wèn)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(guò)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(kāi)裂和變形等問(wèn)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(wèn)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(shù)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
在干燥過(guò)程中，木材的水分是由木材的內(nèi)部通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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。
纖維飽和點(diǎn)以下木材中水分的移動(dòng)情況對(duì)所有樹(shù)種都適用，但水分移動(dòng)或擴(kuò)散的快慢要受木材的樹(shù)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(shù)種。木材的樹(shù)種有針葉材和闊葉材之分。而闊葉樹(shù)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(shù)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(shù)材，因其密度較大，就比較難干燥。我國(guó)東北地區(qū)用于木材加工生產(chǎn)的樹(shù)種大致有：
針葉樹(shù)材：紅松，白松（樟子松、云杉等），落葉松。
闊葉樹(shù)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(shù)材中散孔材有：色木、樺木、椴木、楊木。
闊葉樹(shù)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(shù)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(shù)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(wú)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(lái)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(kāi)始蒸發(fā)。隨著蒸發(fā)過(guò)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(lái)越多，含水率下降的速度越來(lái)越慢，因此稱(chēng)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(méi)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(guò)程結(jié)束。
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