木材干燥的基本原理

木材干燥是指在保證木材品質優(yōu)良的前提下，采用適當的針對性的干燥工藝和設備對木材進行熱濕處理，是木材中的水分連續(xù)排除的過程。 
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管系統(tǒng)內。(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250%)
2、 吸著水是存在于木材的微毛細管內，不同樹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組成中，其含量約為1%，干燥無法除去，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，簡稱含水率，用W表示。
2 、電測法：根據木材電學特性和含水率的關系直接測定含水率的方法。常用的有電阻式木材含水率測定儀。
3、 木材的纖維飽和點：濕木材在存在大毛細管中的自由水全部蒸發(fā)完畢，而毛細管系統(tǒng)中的吸著水還在飽和狀態(tài)時的木材含水率。(自由水和吸著水的交接點)木材纖維飽和點是材性變異的轉折點，吸著水的增減會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性質。
4 、木材的平衡含水率：一塊木材在熱濕空氣中過一段時間，木材中的水分與空氣中的水分不再進行交換而達到平衡狀態(tài)的含水率叫做該空氣狀態(tài)下的平衡含水率。
三 、木材干燥過程中的水分移動：
木材干燥時水分可以順纖維方向移動從板的兩端排除，也可以橫跨纖維方向移動從板的表面和側面排除，因為鋸材的表面積和側面積大于端面積，因此鋸材干燥時的水分主要沿厚度和寬度的方向移動和排出。當含水率高于木材纖維飽和點時以液態(tài)水移動為主，當部分含水率低于木材纖維飽和點時以水蒸氣或汽水混合方式移動為主。
四 、木材干燥過程中的熱濕傳導：
木材干燥時，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，稱為干燥介質。
干燥開始前，首先要預熱，預熱木材的介質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界面層到達濕木材的表面，并在表面上凝結成水，此時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)魅雰炔?，木材溫度逐漸升高，當木材表面溫度等于介質溫度時，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量處于平橫狀態(tài)，同時，由于木材內部的溫度低于表面溫度，干燥介質中的熱將通過表面向內部傳遞。
預熱過后，開始干燥時，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入干燥介質中然后被排出窯外。木材表層大毛細管的自由水首先蒸發(fā)，然后蒸發(fā)微毛細管中的吸著水，由于表面水分的蒸發(fā)，是蒸發(fā)面的含水率降低，在木材的表層和內部各層之間出現內高外低的含水率梯度和內低外高的溫度梯度，在這兩種梯度的作用下，使內部各層中的水分向表面移動，直到干燥完畢，木材內外層含水率才接近一致。
含水率梯度是水分移動的動力，水分移動方向是從高含水率向低含水率方向移動。干燥時，木材表層水分首先蒸發(fā)，使表層含水率低于內層，形成內高外低的含水率梯度，在含水率梯度的作用下，內層水分向表層移動，含水率梯度越大，移動速度就越快。這種有含水率梯度而引起的水分移動的難易與木材的構造特征和物理學性能有關，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的另一種驅動力。木材內部水分向表面移動的同時，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)速度隨介質溫度的增加而增加。但介質的溫度不是越高越好，介質溫度的高低取決于木材的干燥特性。在干燥前，先用高溫高濕對木材進行預熱處理，提高木材的內部溫度后在進行干燥，使溫度梯度和含水率梯度相一致來提高干燥速度。
干燥過程中材堆間的介質以一定的流速循環(huán)對流，將介質的熱量傳給木材，從而加快木材中水分子的運動，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，但是氣流速度過快消耗太多，木材和干燥介質不能很好的進行熱濕交換，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造、木材的密度、紋理方向和細胞壁的厚度及干燥條件有關。
六、干燥應力和變形：
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，但受到未收縮的內層纖維的限制而產生伸張應力，內層纖維受到壓縮應力。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，干燥應力加大。由于木材含水率不均而引起的應力叫含水率應力。由于木材的塑性變形引起的內應力稱殘余應力。
在干燥過程中木材表層和內部各層的應力的發(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力狀態(tài)，隨著干燥的進行，表層伸張應力值逐漸增加，直到大值后才逐漸減少至零，應力轉向，由伸張應力轉變?yōu)閴嚎s應力，直到大值后趨向減小或殘余少量應力。中心層的應力變化與表層正相反，干燥初期呈現為壓縮應力，干燥后期由壓縮應力轉變?yōu)樯鞆垜?。中心層的應力發(fā)展、變化規(guī)律同表層，但大值的時間遲后于表層，內部其他各層的變化一般介于這兩者之間。干燥應力的大值和到達大值的時間與干燥工藝條件密切相關。木材表層伸張應力的大值隨著溫度的升高而降低，在干球溫度一定時，隨著干濕球溫度差的增大表層伸張應力的大值將提前。木材干燥后引起的殘余應力也是影響木材尺寸穩(wěn)定性的一個因素。因此，在干燥過程中，要嚴格按干燥工藝操作，減小和消除殘余應力。
七、總結：
在木材干燥過程中，制約干燥速度的主要是板材的樹種、厚度、初始含水率和要求的含水率（終含水率）、氣流穿過材堆的速度等；但是在保證干燥質量的前提下，針對每個樹種制定出合理的干燥工藝，適當提高氣流的循環(huán)速度，減少在干燥過程中的運行費用，提高經濟和社會效益。