木材干燥

　　木材干燥是指在热能的作用下，采用合理且有针对性的木材干燥工艺使木材内部的水分以蒸发或沸腾方式排出的过程。该过程是保证木制品品质的关键，也是木材加工领域技术含量Z高的工序之一，如果木材干燥环节处理不当就会导致木材产生翘曲开裂、腐朽霉变、变色及虫蛀等缺陷，造成木材资源的浪费。

木材干燥的意义

　　1、提高木材和木制品使用的稳定性

　　我们知道，树木生长不仅有沿树高方向的生长，而且有增加树干直径的水平生长，因此从树木中加工出来的木材就属于各向异性材料。木材长期暴露在空气中，其中的水分就会随着空气相对湿度的变化而变化，发生木材随空气湿度增加而膨胀和随空气湿度减少而收缩的湿胀和干缩现象。

　　2、提高木材和木制零件的强度

　　木材是从树木加工而来，而树木的生长是由成千上万的细胞不断生长而来。当木材细胞腔中没有水分，水分仅存在于细胞壁时，木材的强度随木材含水率的降低而提高。

　　木材干燥处理并达到要求的含水率后，不仅可以改善木材的切削加工性能，而且可以提高木结构零件的强度、胶接强度和木制品的表面装饰质量，同时也能提高木材的保温性与绝缘性，减少导热性与导电性。

　　3、预防木材的降等和腐朽

　　木材是天然高分子聚集体，主要由纤维素、半纤维素和木素组成，同时也含有少量树脂、树胶、色素等内含物。湿木材如果长时间堆放在露天空气中，若不采取适当的保护措施，会发生腐朽或虫害。

　　木材干燥处理后，当木材含水率降低到20%以下时，可以大大减少菌类和害虫的侵害与破坏。一些生产单位，把木材干燥到含水率8-15%左右，不仅保证了木材的固有性质和强度，而且也提高了木材的抗腐蚀能力。

　　4、减少木材的运输成本

　　由于木材初含水率很高，甚至超过它本身的重量，经过短期存放，木材干燥后，能减轻木材重量。

木材干燥的原理

　　木材干燥是指在保障木材品质优良的前提下，利用合理的有针对性的干燥工艺和设备对某种木材进行湿、热处理，是材质中的水分逐渐排除的过程。

　　1、木材中的水分

　　木材中的水分由3部分构成:即自由水、吸着水以及化合水。

　　在木材大毛细管中的水分就是木材水分中含量Z大的自由水，这种水分在木材干燥时是Z易于去除的;

　　在木材的微毛细管内的水分是吸着水，木材吸着水含量因树种的差异而不同，一般含量大约为33%，为了克服微毛细管的张力，只有当其获得到一定的能量时，它才能从微毛细管内蒸发出，因此，吸着水不如自由水那样容易去除;

　　在木材化学组成中的水分是化合水，它的含量约为2%，通常在木材干燥过程中，它是无法除去的，因此，一般情况下不在考虑范围内。

　　2、木材干燥过程中水分的移动

　　木材干燥过程中木材中的水分可能平行于木质纤维方向迁移，并在木材的两端蒸发，还可能垂直于木质纤维方向迁移，Z后从木材的表面和截面排除。由于板材的表面积和截面积大于其两端的面积，所以板材干燥过程中的水分大多沿板材的表面积和截面积蒸发。

　　如果含水率在木质纤维饱和点以上的情况下，移动时主要以液态水为主，若含水率在木质纤维饱和点以下时，移动以水蒸气或混合方式迁移为主。

　　3、木材干燥过程中热湿的传导

　　木材干燥过程是较典型的传热、传质过程。若使木材得到干燥，这需要把热能传给木材，同时还需把木材中蒸发出来的水分带走，要达到此目的，需要通过一种能传热、传质的物质作为中介。

　　木材干燥时，能在干燥室内不间断的循环流动，能把加热器的热能传给材堆，同时把木材表面蒸发出来的水分带走的中介被称为干燥介质。干燥介质可以是气体，也可以是液体。在一般干燥窑中，干燥介质都是湿空气。

　　4、木材干燥应力和形变

　　木材干燥刚开始时，板材表层水分Z先被蒸发，其含水率会迅速变小，并达到低于纤维饱和点的某一值，其体积随着吸着水的的蒸发而减小，此时表层部分纤维也开始收缩，但收缩的内层纤维只占少数，根本无法克服未收缩纤维的束缚，因而，此时内层纤维主要受到压缩应力的作用。随着板材含水率的降低，木材干燥应力逐渐增大。

木材干燥的影响因素

　　木材干燥过程，主要是板材表层和内部水分移动的过程，即板材与干燥介质之间的换能过程。在板材水分迁移的时候，板材主要受压应力和张应力的作用。因此，一定要平衡两者的关系，使其达到一个合理的平衡点，才能有效地加快干燥速度、缩短干燥周期。

　　一般影响木材干燥速度的因素主要包括内因和外因2个层面。如干燥介质的温度、湿度以及气流循环速度等方面可归结为外因;而木材的树种、厚度、含水率、心边材以及纹理方向等方面则可归结为内因。

　　1、木材干燥外在影响因素

　　① 温度

　　影响木材干燥速度的直接因素是温度。温度越高，板材中水分压力就大，但是液态自由水的粘度反而降低，这样板材中水分的迁移相对容易;这时湿空气的容湿度增大，进而使板材表层水分蒸发的速度提高。但绝不能使温度过高，因为温度过高，可能会导致板材降质，所以，应该选择较合适的温度，不能过低或过高。

　　②湿度

　　相对湿度(RH)是指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比，也可表示为湿空气中水蒸气分压力与相同温度下水的饱和压力之比。在干燥工艺及参数相同时，RH低时，板材表层水分蒸发较快，其含水率下降得快，木材干燥周期缩短。然而，若RH过低，可能导致板材材质的降低。RH越高，湿空气内水蒸气分压较大，板材表层的水分反而蒸发较慢，所以木材干燥周期越长。

　　③气流循环速度

　　木材干燥过程中，需要空气持续不断地进行循环，以便把热量传送到被干板材，同时将板材所蒸发的水分带走。为了提高木材干燥效率，循环气流在通过板材之前必须不断地进行“调整”，使其温度与湿度有利于板材水分的迁移。其次，循环气流的运动速度也必须足够高，从而加快板材表层水分的蒸发。若循环气流不够强，则材堆中的木材干燥条件必会偏离控制室内所设定标准，降低了木材干燥速度。

　　以上3种外因是可以人为控制的因素，合理的控制能在保证板材干燥质量的同时加快干燥速度。比如，干燥橡木或橡胶木板材时，可适当提高温度、降低湿空气湿度、提高气流循环速度，来缩短干燥周期;但干燥水曲柳或栎木时，采用较低的温度、较高的湿空气湿度以及相对小的气流循环速度较为适宜。

　　2、内在因素的影响

　　①木材种类

　　木材的纹孔大小与数量因树木种类的不同而相差较大，它的内部构造也有较大差别，所以不同种类树木的板材中水分迁移的快慢也有较大的差异。如环孔树材导管和纹孔中充填物多、且纹孔膜上微孔的直径小，所以木材干燥速度明显小于其他种类树材。

　　②木材的薄厚

　　一般的木材干燥过程，能够大致看作是沿材厚方向一维的传热、传质物理过程。研究表明:随着材质厚度的增大，传热、传质有效长度增加、阻力增大，干燥周期大幅增长。

　　③木材的含水率

　　木材含水率低于纤维饱和点时，自由水的纵向扩散系数随着含水率的降低而明显减小，但是，水蒸气在细胞腔中的扩散系数反而会增大。因为，在木材干燥阶段水蒸气在细胞腔中所占的扩散比例并不大，含水率越低，水分扩散路径越长，因此含水率越高越容易干燥。

　　④木材的心边材

　　心材含水率较低，内含物较多，不易翘曲变形，抗腐蚀性强;边材含水率高，纹孔大多是开放的，所以边材比心材容易干燥。

　　⑤木材的纹理方向

　　由于水分迁移与木射线有一定的关系，沿板材弦向的水分传导比沿径向的水分传导小20%～30%，所以，径切板一般比弦切板木材干燥周期长。

　　虽然影响木材干燥速度的内在因素无法人为控制，但充分地了解木材内在特性，合理地选择干燥工艺和设备，同样能够缩短干燥周期，既减少能耗，又在保持木材材质的前提下提高木材干燥效率。

木材干燥技术

　　木材干燥技术在木材加工领域占有极其重要的地位，国内外很多专家一直致力于木材干燥技术的研究。目前，木材人工干燥方法主要有常规蒸汽干燥、真空干燥、除湿干燥、太阳能干燥、微波干燥和联合干燥等几种。

　　1、木材常规蒸汽干燥

　　木材常规蒸汽干燥是依靠干燥室内热空气与木材间的对流换热，利用空气加热木材并吸收木材蒸发掉的水分，同时排出干燥室内的湿空气，吸入外界冷空气的一种干燥方法。

　　可以看出，这种换热方式属于开放式，大部分热量伴随着热交换而损失，且热能回收利用困难，有的地区热损失接近40%。

　　2、木材真空干燥

　　真空干燥是一种GX的干燥方法，对渗透性较好的阔叶厚材优势Z为明显，其干燥速率是常规干燥的6倍以上，还可以实现低温快速干燥，降低能耗。

　　但真空干燥设备复杂，制造难度大，投资成本相对高，同时干燥设备体积小，不适宜大规模生产，木材干燥后含水率均匀性差。真空干燥设备的应用主要集中在科研实验方面，一般仅适用于小批量的硬质阔叶材干燥。

　　3、木材除湿干燥

　　木材除湿干燥是近十年来发展起来的一种新型干燥技术，它利用低沸点制冷剂液化时放出的热量加热空气，再利用它汽化时的吸热作用使木材蒸发出的水分冷凝为液体并排出室外。除湿干燥机主要有单热源、双热源、高温、回热型及通风型几种。

　　除湿干燥是一种节能、环保的木材干燥技术，但由于存在升温慢、木材干燥时间长、生产效率低、木材表面易硬化等问题，该技术没有得到推广应用，一般都是采用其他辅助热源与其配合干燥木材来达到预期效果。

　　4、木材太阳能干燥

　　太阳能干燥技术一般分为温室型和集热器型两种，由于其具有间歇性、不稳定、能流密度低、木材干燥周期长、设备投资大、维修费用高等缺点阻碍了推广应用。目前，这项技术的应用还需要与其他辅助能源结合，如热泵、蒸汽、炉气等。

　　印度林业研究院设计建造了7.1 m3温室型太阳能木材干燥室，美国的威斯康星州也建造了半温室型太阳能木材干燥室;国内对太阳能干燥室的研究相对较少，对其研究较多的有北京林业大学的伊松林，其团队自主开发了移动式相变储热木材太阳能干燥装置，并进行了性能测试，结果表明，干燥室供热效率Z低值达到70%，干燥速率是大气干燥的1.35倍，节能效果十分明显。

　　5、木材微波和远红外干燥

　　我国木材微波干燥技术研究开始于20世纪70年代初，而美国、日本等国家的学者早在20世纪60年代就开始研究将微波干燥技术应用于木材干燥中，其原理是以湿木材中的水分作为电解质，在电磁场作用下，木材中的水分子极化，在电磁场频繁交变的引力下，水分子之间摩擦生热，使木材得到干燥。

　　微波干燥速度快、热量分布均匀，杀虫灭菌效果好，GX节能，Z主要的是干燥应力小。

　　远红外木材干燥由于具有热量传递慢、干燥材终含水率不均匀、板材表面硬化严重及耗电量大等缺点，很多专家否定了远红外木材干燥的可行性，同时很多企业的生产实践也证明了这一点，因此远红外干燥木材技术的发展前景并不乐观。

　　6、木材联合干燥

　　木材联合干燥可以弥补单一干燥方法存在的不足，实现优势互补，节能降耗，提高干燥质量。目前，主要的几种联合干燥技术有蒸汽-热泵、太阳能-热泵、高频-真空、高频-对流、微波-真空几种。

　　(1)高频-对流干燥

　　采用双热源联合加热的干燥形式，木材放在电极板之间，外部通过调节介质温湿度的方式进行对流加热，内部采用高频电加热，如此形成的温度梯度及水蒸气压力迫使木材内部水分向外扩散。该项技术既克服了单纯高频干燥耗电量大的缺点，又可以提高木材干燥质量、缩短木材干燥时间。

　　(2)高频-真空联合干燥

　　干燥装置分为真空罐和高频加热装置，高频加热装置可引起木材内部水分子极化并产生热量，在负压和热的共同作用下，水分子能够在低温下迅速汽化排出，实现了快速无污染干燥。该技术工艺简单，同时还可以杀灭木材中的虫卵，但该工艺一般仅适合于干燥树脂少、透气性好的阔叶材，对于密度大、透气性差的木材干燥后可能会出现干燥缺陷。

　　(3)太阳能-热泵联合干燥

　　其由太阳能供热系统、热泵除湿系统和干燥室构成，前两者既可以同时运行，也可以单独运行，不受天气变化的影响，弥补了太阳能稳定性差的缺陷，具有供热持续、节约能源、成本低、无污染等特点。

　　(4)蒸汽-热泵联合干燥

　　该技术结合了蒸汽干燥与除湿干燥二者的优点，具有节能、木材干燥周期短及适应性强的特点。有学者对常规蒸汽干燥、除湿干燥以及二者的联合干燥进行了对比试验，结果表明：除湿干燥Z节能，但木材干燥周期长;联合干燥能耗比除湿干燥高18%，但总体比蒸汽干燥节能27.3%，木材干燥周期缩短50%，生产率大大提高。

　　(5)真空-微波联合干燥

　　国内对真空-微波联合干燥的研究主要集中在微波干燥设备与真空干燥设备、干燥工艺以及磁场作用下木材介电特性等几方面。

　　①微波干燥设备与真空干燥设备的应用范围均有限;

　　②木材真空干燥设备复杂、投资大，干燥成本高，木材终含水率不均匀，不适用于大规模生产;

　　③微波干燥易出现“温度失控”现象，可引起木材内裂或炭化。

　　这些问题使得真空-微波联合干燥技术的局限性更为突出。