木材干燥的基本原理

木材干燥是指在保证木材品质优良的前提下,采用适当的针对性的干燥工艺和设备对木材进行热湿处理,是木材中的水分连续排除的过程。

一、木材中的水分:(自由水;吸着水和化合水)
    1、自由水是存在于木材大毛细管系统内(此类型在木材干燥中是很容易去除的,并且含量是最大的, 例如泡桐的自由水含量高达250%)
    2、吸着水是存在于木材的微毛细管内,不同树种的木材吸着水含量为23-33%,平均为30%,只有得到一定的能量,克服微毛细管的束缚力,吸着水才能从木材中排出,所以这种类型的水分是不容易排除的。
    3、化合水存在于木材化学组成中,其含量约为1%,干燥无法除去,一般不予考虑。

二、木材干燥中常用的概念:
    1、含水率:指木材中水分的含量。木材中所含水分的重量与绝干材重量之比叫绝对含水率,简称含水率,用W表示。
    2、电测法:根据木材电学特性和含水率的关系直接测定含水率的方法。常用的有电阻式木材含水率测定仪。
    3、木材的纤维饱和点:湿木材在存在大毛细管中的自由水全部蒸发完毕,而毛细管系统中的吸着水还在饱和状态时的木材含水率(自由水和吸着水的交接点)，木材纤维饱和点是材性变异的转折点,吸着水的增减会引起木材的胀缩而影响木材制品的尺寸稳定性和其他木材物理学性质。
    4、木材的平衡含水率:一块木材在热湿空气中过一段时间,木材中的水分与空气中的水分不再进行交换而达到平衡状态的含水率叫做该空气状态下的平衡含水率。

三、木材干燥过程中的水分移动:
    木材干燥时水分可以顺纤维方向移动从板的两端排除,也可以横跨纤维方向移动从板的表面和侧面排除,因为锯材的表面积和侧面积大于端面积,因此锯材干燥时的水分主要沿厚度和宽度的方向移动和排出。当含水率高于木材纤维饱和点时以液态水移动为主,当部分含水率低于木材纤维饱和点时以水蒸气或汽水混合方式移动为主。

四、木材干燥过程中的热湿传导
    木材干燥时,把木材堆成材堆,借助一种既能将热量传给木材又能吸收木材中蒸发的水分的媒介物质,称为干燥介质。干燥开始前,首先要预热,预热木材的介质是饱和湿空气或接近饱和的湿空气,空气中的水蒸气将有一部分穿过界面层到达湿木材的表面,并在表面上凝结成水,此时水蒸气所含的汽化潜热变为显热,传给木材表面,并由表面传入内部,木材温度逐渐升高,当木材表面温度等于介质温度时,木材表面的水蒸气分压力等于循环蒸汽流的分压力,互相传递的水蒸气数量处于平衡状态,同时,由于木材内部的温度低于表面温度,干燥介质中的热将通过表面向内部传递。
    预热过后,开始干燥时,木材蒸发面的自由水和部分吸着水在水蒸气分压差的作用下脱离木材进入干燥介质中然后被排出窑外。木材表层大毛细管的自由水首先蒸发,然后蒸发微毛细管中的吸着水,由于表面水分的蒸发,是蒸发面的含水率降低,在木材的表层和内部各层之间出现内高外低的含水率梯度和内低外高的温度梯度,在这两种梯度的作用下,使内部各层中的水分向表面移动,直到干燥完毕,木材内外层含水率才接近一致。
    含水率梯度是水分移动的动力,水分移动方向是从高含水率向低含水率方向移动。干燥时,木材表层水分首先蒸发,使表层含水率低于内层,形成内高外低的含水率梯度,在含水率梯度的作用下,内层水分向表层移动,含水率梯度越大,移动速度就越快。这种有含水率梯度而引起的水分移动的难易与木材的构造特征和物理学性能有关,密度小的比密度大的容易,边材比心材容易;顺纹比横纹容易;径向比弦向容易;所以在红木类木材干燥中,由于木材密度较大,干燥中,含水率梯度较小,所以干燥就比较困难。
    温度梯度是水分移动的另一种驱动力.木材内部水分向表面移动的同时,表面的水分以水蒸气的形式向空中蒸发。蒸发的能力随干燥介质的温度\湿度\循环速度的不同而不同。木材水分的蒸发速度随介质温度的增加而增加。但介质的温度不是越高越好,介质温度的高低取决于木材的干燥特性。在干燥前,先用高温高湿对木材进行预热处理,提高木材的内部温度后再进行干燥,使温度梯度和含水率梯度相一致来提高干燥速度。
    干燥过程中材堆间的介质以一定的流速循环对流,将介质的热量传给木材,从而加快木材中水分子的运动,促使木材中水分的排除,气流循环的快慢直接影响木材水分蒸发的快慢,但是气流速度过快消耗太多,木材和干燥介质不能很好的进行热湿交换,不能提高干燥速度。一般的选择气流速度为1-3米/秒。红木干燥中气流速度一般在1-1.5米/秒。

五、木材的干缩和湿胀
    木材失去水分是体积变小称为干缩。反之吸收水分称为湿胀，木材正常的干缩和湿胀量的大小与木材构造、木材的密度、纹理方向和细胞壁的厚度及干燥条件有关。

六、干燥应力和变形：
    干燥初期，首先蒸发表层水分，含水率很快下降到纤维饱和点以下，随着吸着水的减少而缩小体积，表层纤维倾向收缩，但受到未收缩的内层纤维的限制而产生伸张应力，内层纤维受到压缩应力。随着水分的继续蒸发，表层含水率继续降低收

缩率增加，干燥应力加大。由于木材含水率不均而引起的应力叫含水率应力。由于木材的塑性变形引起的内应力称残余应力。
    在干燥过程中木材表层和内部各层的应力的发生、发展和变化的一般规律是：干燥初期，木材表层处于伸张应力状态，随着干燥的进行，表层伸张应力值逐渐增加，直到最大值后才逐渐减少至零，应力转向，由伸张应力转变为压缩应力，直到最大值后趋向减小或残余少量应力。中心层的应力变化与表层正相反，干燥初期呈现为压缩应力，干燥后期由压缩应力转变为伸张应力。中心层的应力发展、变化规律同表层，但最大值的时间迟后于表层，内部其他各层的变化一般介于这两者之间。干燥应力的最大值和到达最大值的时间与干燥工艺条件密切相关。木材表层伸张应力的最大值随着温度的升高而降低，在干球温度一定时，随着干湿球温度差的增大表层伸张应力的最大值将提前。木材干燥后引起的残余应力也是影响木材尺寸稳定性的一个因素。因此，在干燥过程中，要严格按干燥工艺操作，减小和消除残余应力。

七、在木材干燥过程中，制约干燥速度的主要是板材的树种、厚度、初始含水率和要求的含水率（终含水率）、气流穿过材堆的速度等；但是在保证干燥质量的前提下，针对每个树种制定出合理的干燥工艺，适当提高气流的循环速度，减少在干燥过程中的运行费用，提高经济和社会效益。