家具木材干燥的基本原理与方法

家具木材干燥原理与方法木材干燥可以防止木材变形和开裂，提高木材的力学强度，改善木材的物理性能，预防木材腐朽变质，减轻木材的重量等。第一、木材的水分与材性一、木材中水分的来源与状态一棵活树生长时,其根部不间断地从土壤中吸取水分,由树干的木质部将水分送到树木的各个器官,同时又将叶子光合作用所制造的养料由树干的韧皮部输送到树木的各个部分。水分既是树木生长必不可少的物质,又是树木输送各种物质的载体,活树被伐倒并锯成各种规格的板方材后,水分的大部分仍然保留在木材内部,这就是木材中水分的主要来源,同时木材在贮存、运输或使用环境中也会吸收一些水分进入其内部。对不同的树种来说,树干中木质部水分含量存在差异。即使是同一株树在不同生长季节,其木质部的含水量也有差异。木质部的各个部位,例如心材、边材、根部、树干与树梢等含水量也都不同,所以说木材中水分分布是很不均匀的。木材周围的大气条件发生变化时,其水分含量也会随之发生变化,水分因其在木材中的位置不同可分为自由水、吸着水、化合水三种：(1〉自由水存在于由木材细胞壁上的纹孔或导管末端的穿孔和细胞腔以及胞间隙相互沟通构成的大毛细管系统中,自由水与木材呈物理结合,结合并不紧密,这部分水容易从木材中逸出,也容易吸入。湿木材置于干燥空气中,首先蒸发的就是自由水。对于新伐倒的生材来说,不同树种的木材,自由水含量变化很大,一般为60~70%至200~250%之间。(2〉吸着水存在于木材细胞壁内的微纤丝、大纤丝之间构成的微毛细管系统内或吸附在微晶表面和无定型区域内纤维素分子的游离控基上。木材中吸着水含量在树种间差别较小,木材吸着水的最大含量一般在23~31%之间,平均约为3%。吸着水与木材物质结合较为紧密,这部分水不易从木材中逸出,只有当木材中自由水蒸发殆尽,且木材中的水蒸汽分压大于周围壁气中水蒸汽分压时,方可由木材中蒸发。(3〉化合水与细胞壁组成物质呈牢固的化学结合状态,木材中这部分水的含量很少,可以忽略不计,而且在一般的干燥条件下无法将其除去。二、木材的水分与室内环境人们居住的室内环境，不希望湿度有过大的起伏变化，应稳定在一定范围之内，这对于人身健康及物体的保存都是非常有利的。有研究资料表明：防止湿霉菌的最佳相对湿度范围为0-80%；防止虫害为0-70%或80-100%；保存书籍为40-60%；防止细菌感染为55-60%；死亡率最低为60-70%，人类居住环境的相对湿度应在60左右较为适宜。引起室内湿度变化的因素很多，例如：外界温度变化或室内温度变化都会引起湿度变化；从气窗或换气口流入或流出的水蒸汽、从壁面透过的水蒸汽、从厨房进来的水蒸汽等也会引起湿度的变化。木材的调湿特性是木材具备的独特性能之一,也是其作为室内装饰材料、家具材料的优点所在,用木材或木质材料装修的住宅,其湿度变化远比混凝土住宅或壁纸装修住宅的变化要小。所谓木材的调湿特性就是靠木材自身的吸湿和解吸作用,直接缓和室内环境的湿度变化。当室内环境的相对湿度降低时,打破了室内环境与木材之间的水蒸汽分压平衡,木材内部的水蒸汽分压高于室内环境的水蒸汽分压,木材内部的水分就会逸出,使室内环境的相对湿度提高,此为解吸过程。反之,当室内环境的相对湿度提高时木材就会从室内空气中吸着水分,此为吸湿过程。木材在解吸或吸湿过程开始时进行得十分强烈,此后就逐渐缓慢下来,直至达到新的动态平衡。在这里木材起着水分的储存作用,就象室内空气湿度的天然调节器,长期以来人们就习惯生活在木制家具与木质室内装饰材料的环境中。三、木材的水分与其产品的形状和尺寸PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.com.cn木材含水量的多少在一定范围内影响木材的强度、刚性、硬度、耐腐朽以及机械加工性能、燃烧值、导热性、导电性等。潮湿木材置干燥环境中,由于木材内水蒸汽分压大于大气水蒸汽分压,水分就会从木材内部向大气散发,首先蒸发的是自由水。当木材内的自由水蒸发殆尽而吸着水仍处于饱和状态时则称木材的含水率状态是纤维饱和点,纤维饱和点是木材性质变化的转折点。木材含水率在纤维饱和点以上变化时,因为水分的变化只有自由水数量的增减,而自由水数量的增减对木材性质的影响甚微,仅影响木材的重量、燃烧值、导热性和导电性。反之木材含水率在纤维饱和点以下变化时,因木材内部不存在自由水,而吸着水数量的变化对木材性质的影响甚大,如木材的力学性质、干缩、湿胀、导热性和导电性等都随吸着水的增减而发生改变,可以说木材中吸着水的数量是影响木材性质的主要因素。另外,当具有空气、养料、温度、湿度等适宜环境时,木腐菌的孢子便侵染木材对木材产生危害。大多数木腐菌生长的适宜温度为25~30℃,水分以35~50%为最宜,如木材含水率减低至2%时,木腐菌的活动即被抑制,因此干燥也是防止木材变色腐朽的有效措施。在我们的日常生活中,体会最深的是木材的干缩和湿胀特性,这是木材的一个显著特点。新伐倒的树木在锯成板方材之后,置于较为干燥的环境中就会开始散发水分,首先是木材中自由水开始逸出,这时木材的尺寸不随着改变。当木材中自由水蒸发殆尽时,木材细胞壁内的吸着水从木材中排出,木材的尺寸随着减小。这是由于胞壁内的微纤丝和大纤丝之间的空隙因吸着水的排出而缩减,使得细胞壁变薄,引起木材的干缩。反之,在木材由全干状态逐步湿润到纤维饱和点的过程中,可以观察到木材湿胀的现象。木材的干缩和湿胀性使得木制品的尺寸不稳定。由于木材在结构上存在各向异性,木材干缩因方向、树种、密度、晚材率、生长轮宽度、应力木、细胞壁的化学成分等的不同,而变异甚大。因此,木材的干缩与湿胀也呈现各向异性,主要表现在沿树干方向的纵向干缩率很小,约为0.10~0.20地沿着树干半径方向的径向干缩率约为3~6%；木材沿着年轮方向的弦向干缩率约为径向干缩率的二倍,约为6~12%,因为各部分的不均匀干缩而使其形状改变。生材干燥时,因为径向和弦向干缩差异的共同影响,使由原木解锯的板方材的端面发生多种变形,如：翘弯、顺弯、扭曲、横弯等。木材因干燥的不均匀与各向干缩的差异,造成开裂、端裂、表面裂、心裂、蜂窝裂、轮裂等缺陷的产生。木材平衡含水率在木材加工利用上,具有十分重要的意义。其作用在于,它使人们认识到,木材在制成木制品前,必须干燥到与所在地区空气温度和湿度相适应的木材平衡含水率。这样才可避免因受使用地区温、湿度的影响而发生木材含水率的变化,也就不会引起木材尺寸或形状的变化,进而保证木制品的质量。我们国家地域辽阔,各地区的木材平衡含水率依据各地的气候不同,而存在较大差异,即使是同一地区在不同的季节木材的平衡含水率也存在差异。例如北京的木材平衡含水率年平均值约为11.1%,8月份最高达15.6%,4月份最低约为8.5%。广州的木材平衡含水率年平均值约为15.1%,4~5月份最高达17.6%,11月份最低约为12.4%。如果湖南某厂为北京和广州各制造一批木制品,倘若不分别按北京和广州的气候条件把木材各自干燥到适当程度,这批木制品在北京使用时就会因干缩而开裂，在广州使用时则会因膨胀而不易开闭。为了保证木制品的形状及尺寸稳定,除了在选择木料时,使用那些干缩与湿胀率较小的木材外,更重要的是把木材干燥到与使用环境相适应的平衡含水率,这样木材就不会由于急剧解吸或吸湿而产生开裂和变形情况,影响木制品的形状和尺寸稳定性,这就是在加工或选购木制品时必须考量木材内水分含量的缘故。第二、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%)PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.com.cn2、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横状态,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在进行干燥,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。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.com.cn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