木材干燥的基本原理

木材干燥是指在保證木材品質(zhì)優(yōu)良的前提下，采用適當(dāng)?shù)尼槍?duì)性的干燥工藝和設(shè)備對(duì)木材進(jìn)行熱濕處理，是木材中的水分連續(xù)排除的過(guò)程。 
一、木材中的水分：(自由水;吸著水;和化合水)
1、 自由水是存在于木材大毛細(xì)管系統(tǒng)內(nèi)。(此類型在木材干燥中是很容易去除的，并且含量是大 的， 例如泡桐的自由水含量高達(dá)250%)
2、 吸著水是存在于木材的微毛細(xì)管內(nèi)，不同樹(shù)種的木材吸著水含量為23-33%，平均為30%，只有得到一定的能量，克服微毛細(xì)管的束縛力，吸著水才能從木材中排出，所以這種類型的水分是不容易排除的。
3 、化合水存在于木材化學(xué)組成中，其含量約為1%，干燥無(wú)法除去，一般不予考慮。
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與絕干材重量之比叫**含水率，簡(jiǎn)稱含水率，用W表示。
2 、電測(cè)法：根據(jù)木材電學(xué)特性和含水率的關(guān)系直接測(cè)定含水率的方法。常用的有電阻式木材含水率測(cè)定儀。
3、 木材的纖維飽和點(diǎn)：濕木材在存在大毛細(xì)管中的自由水全部蒸發(fā)完畢，而毛細(xì)管系統(tǒng)中的吸著水還在飽和狀態(tài)時(shí)的木材含水率。(自由水和吸著水的交接點(diǎn))木材纖維飽和點(diǎn)是材性變異的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，吸著水的增減會(huì)引起木材的脹縮而影響木材制品的尺寸穩(wěn)定性和其他木材物理學(xué)性質(zhì)。
4 、木材的平衡含水率：一塊木材在熱濕空氣中過(guò)一段時(shí)間，木材中的水分與空氣中的水分不再進(jìn)行交換而達(dá)到平衡狀態(tài)的含水率叫做該空氣狀態(tài)下的平衡含水率。
三 、木材干燥過(guò)程中的水分移動(dòng)：
木材干燥時(shí)水分可以順纖維方向移動(dòng)從板的兩端排除，也可以橫跨纖維方向移動(dòng)從板的表面和側(cè)面排除，因?yàn)殇彶牡谋砻娣e和側(cè)面積大于端面積，因此鋸材干燥時(shí)的水分主要沿厚度和寬度的方向移動(dòng)和排出。當(dāng)含水率高于木材纖維飽和點(diǎn)時(shí)以液態(tài)水移動(dòng)為主，當(dāng)部分含水率低于木材纖維飽和點(diǎn)時(shí)以水蒸氣或汽水混合方式移動(dòng)為主。
四 、木材干燥過(guò)程中的熱濕傳導(dǎo)：
木材干燥時(shí)，把木材堆成材堆，借助一種既能將熱量傳給木材又能吸收木材中蒸發(fā)的水分的媒介物質(zhì)，稱為干燥介質(zhì)。
干燥開(kāi)始前，首先要預(yù)熱，預(yù)熱木材的介質(zhì)是飽和濕空氣或接近飽和的濕空氣，空氣中的水蒸氣將有一部分穿過(guò)界面層到達(dá)濕木材的表面，并在表面上凝結(jié)成水，此時(shí)水蒸氣所含的汽化潛熱變?yōu)轱@熱，傳給木材表面，并由表面?zhèn)魅雰?nèi)部，木材溫度逐漸升高，當(dāng)木材表面溫度等于介質(zhì)溫度時(shí)，木材表面的水蒸氣分壓力等于循環(huán)蒸汽流的分壓力，互相傳遞的水蒸氣數(shù)量處于平橫狀態(tài)，同時(shí)，由于木材內(nèi)部的溫度低于表面溫度，干燥介質(zhì)中的熱將通過(guò)表面向內(nèi)部傳遞。
預(yù)熱過(guò)后，開(kāi)始干燥時(shí)，木材蒸發(fā)面的自由水和部分吸著水在水蒸氣分壓差的作用下脫離木材進(jìn)入干燥介質(zhì)中然后被排出窯外。木材表層大毛細(xì)管的自由水首先蒸發(fā)，然后蒸發(fā)微毛細(xì)管中的吸著水，由于表面水分的蒸發(fā)，是蒸發(fā)面的含水率降低，在木材的表層和內(nèi)部各層之間出現(xiàn)內(nèi)高外低的含水率梯度和內(nèi)低外高的溫度梯度，在這兩種梯度的作用下，使內(nèi)部各層中的水分向表面移動(dòng)，直到干燥完畢，木材內(nèi)外層含水率才接近一致。
含水率梯度是水分移動(dòng)的動(dòng)力，水分移動(dòng)方向是從高含水率向低含水率方向移動(dòng)。干燥時(shí)，木材表層水分首先蒸發(fā)，使表層含水率低于內(nèi)層，形成內(nèi)高外低的含水率梯度，在含水率梯度的作用下，內(nèi)層水分向表層移動(dòng)，含水率梯度越大，移動(dòng)速度就越快。這種有含水率梯度而引起的水分移動(dòng)的難易與木材的構(gòu)造特征和物理學(xué)性能有關(guān)，密度小的比密度大的容易，邊材比心材容易;順紋比橫紋容易;徑向比弦向容易;所以在紅木類木材干燥中，由于木材密度較大，干燥中，含水率梯度較小，所以干燥就比較困難。
溫度梯度是水分移動(dòng)的另一種驅(qū)動(dòng)力。木材內(nèi)部水分向表面移動(dòng)的同時(shí)，表面的水分以水蒸氣的形式向空中蒸發(fā)。蒸發(fā)的能力隨干燥介質(zhì)的溫度\濕度\循環(huán)速度的不同而不同。木材水分的蒸發(fā)速度隨介質(zhì)溫度的增加而增加。但介質(zhì)的溫度不是越高越好，介質(zhì)溫度的高低取決于木材的干燥特性。在干燥前，先用高溫高濕對(duì)木材進(jìn)行預(yù)熱處理，提高木材的內(nèi)部溫度后在進(jìn)行干燥，使溫度梯度和含水率梯度相一致來(lái)提高干燥速度。
干燥過(guò)程中材堆間的介質(zhì)以一定的流速循環(huán)對(duì)流，將介質(zhì)的熱量傳給木材，從而加快木材中水分子的運(yùn)動(dòng)，促使木材中水分的排除，氣流循環(huán)的快慢直接影響木材水分蒸發(fā)的快慢，但是氣流速度過(guò)快消耗太多，木材和干燥介質(zhì)不能很好的進(jìn)行熱濕交換，不能提高干燥速度。一般的選擇氣流速度為1-3米/秒。紅木干燥中氣流速度一般在1-1。5米/秒。
五、 木材的干縮和濕脹：
木材失去水分是體積變小稱為干縮。反之吸收水分稱為濕脹，木材正常的干縮和濕脹量的大小與木材構(gòu)造、木材的密度、紋理方向和細(xì)胞壁的厚度及干燥條件有關(guān)。
六、干燥應(yīng)力和變形：
干燥初期，首先蒸發(fā)表層水分，含水率很快下降到纖維飽和點(diǎn)以下，隨著吸著水的的減少而縮小體積，表層纖維傾向收縮，但受到未收縮的內(nèi)層纖維的限制而產(chǎn)生伸張應(yīng)力，內(nèi)層纖維受到壓縮應(yīng)力。隨著水分的繼續(xù)蒸發(fā)，表層含水率繼續(xù)降低收縮率增加，干燥應(yīng)力加大。由于木材含水率不均而引起的應(yīng)力叫含水率應(yīng)力。由于木材的塑性變形引起的內(nèi)應(yīng)力稱殘余應(yīng)力。
在干燥過(guò)程中木材表層和內(nèi)部各層的應(yīng)力的發(fā)生、發(fā)展和變化的一般規(guī)律是：干燥初期，木材表層處于伸張應(yīng)力狀態(tài)，隨著干燥的進(jìn)行，表層伸張應(yīng)力值逐漸增加，直到大值后才逐漸減少至零，應(yīng)力轉(zhuǎn)向，由伸張應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，直到大值后趨向減小或殘余少量應(yīng)力。中心層的應(yīng)力變化與表層正相反，干燥初期呈現(xiàn)為壓縮應(yīng)力，干燥后期由壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)樯鞆垜?yīng)力。中心層的應(yīng)力發(fā)展、變化規(guī)律同表層，但大值的時(shí)間遲后于表層，內(nèi)部其他各層的變化一般介于這兩者之間。干燥應(yīng)力的大值和到達(dá)大值的時(shí)間與干燥工藝條件密切相關(guān)。木材表層伸張應(yīng)力的大值隨著溫度的升高而降低，在干球溫度一定時(shí)，隨著干濕球溫度差的增大表層伸張應(yīng)力的大值將提前。木材干燥后引起的殘余應(yīng)力也是影響木材尺寸穩(wěn)定性的一個(gè)因素。因此，在干燥過(guò)程中，要嚴(yán)格按干燥工藝操作，減小和消除殘余應(yīng)力。
七、總結(jié)：
在木材干燥過(guò)程中，制約干燥速度的主要是板材的樹(shù)種、厚度、初始含水率和要求的含水率（終含水率）、氣流穿過(guò)材堆的速度等；但是在保證干燥質(zhì)量的前提下，針對(duì)每個(gè)樹(shù)種制定出合理的干燥工藝，適當(dāng)提高氣流的循環(huán)速度，減少在干燥過(guò)程中的運(yùn)行費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。