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整木百科|深度解读木材干燥知识

来源:互联网    编辑:    时间:2018-04-17 15:13:38     字体:T T T杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)
导读:木材中含有一定数量的水分。木材中水分的多少随着树种、树龄和砍伐季节而异。为了保证木材与木制品的质量和延长使用寿命,必须采取适当的措施使木材中的水分(含水率)降低到一定的程度。

01、什么叫木材干燥?

木材中含有一定数量的水分。木材中水分的多少随着树种、树龄和砍伐季节而异。为了保证木材与木制品的质量和延长使用寿命,必须采取适当的措施使木材中的水分(含水率)降低到一定的程度。要降低木材的含水率,须提高木材的温度,使木材中的水分蒸发和向外移动,在一定流动速度的空气中,使水分迅速地离开木材,达到干燥的目的。为了保证被干木材的质量,还必须控制干燥介质(如目前通常采用的湿空气)的湿度,以获得快速高质量地干燥木材的效果,这个过程叫做木材干燥。由于上述方法是利用对流传热方式,从木材的外部外热干燥的方法,所以,又称为对流干燥。

整木百科|深度解读木材干燥知识

概括地说木材干燥就是水分以蒸发或汽化的方式由木材中排出的过程。

02、木材干燥的意义有哪些?

木材具有较小的密度和较大的强度(品质系数较高),耐酸碱腐蚀,绝缘性能较好,易于切削,纹理和色泽美丽等优良性质。在建筑、机械、车辆、船舶、纺织、农具、家具、乐器、航空等国民经济的各部分都需要使用大量的木材。但是,用未经干燥的木材制成的产品不能保证质量的,所以必须对木材进行干燥处理。

木材经过干燥处理以后,可以取得以下几方面的效果。

(1)提高木材和木制品使用的稳定性。木材长期暴露在空气中会发生湿胀和干缩现象,而木材的不均匀的湿胀干缩,往往会引起木材开裂和变形,影响使用,造成浪费。若用湿的木材或没有干燥好的木材制造产品(如门窗、地板、家具等)时,刚刚做好时好像不错,可是经过一段时间后,随着木材的变干就会发生门框歪斜、地板翘曲、接榫松脱或板面开裂等现象,造成很大的损失。生产单位若在使用前,将木材干燥到使用要求的含水率,就可以保证木制品结构的稳定性,使之外形美观、经久耐用。

(2)提高木材和木制零件的强度,当木材含水率低于纤维和饱和点时,木材的强度将随着木材含水率的降低而提高。经过干燥后的木材,可以改善切削加工条件,提高木结构零件的强度、胶接强度与木制品的表面装饰质量。木材的导热性质与导电性质是随着它的含水率的改变而改变的,要提高木材的保温性与绝缘性,也需要用降低含水率的办法来减小导热性与导电性。

(3)预防木材的贬质和腐朽。湿木材如果长时间堆放在露天空气中,若不采取适当的措施,往往会发生腐朽或遭虫害。当木材含水率降低到20%以下时,可大大减少菌类和害虫的侵害与破坏。所以,一般在生产单位,把木材干燥到含水率8-15%左右。这样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)减轻木材的重量。新砍伐的木材,其含水量甚至超过了本身的重量,经过短期存放、自然干燥后,它的含水量仍然很高。木材经过室干后,其重量可减轻约30-50%,有利于提高车辆的运载能力。总之,经过干燥的木材,可以保证木材制品的质量,改善木材的使用性能,延长使用年限,从而节约了木材。多年来的实践证明,木材干燥在生产上是不可缺少的过程,在科学上已成为专门的学科。

03、什么叫室干法?有什么特点?

木材在建筑结构(如砖混凝土结构或钢筋混凝土结构)或金属结构的干燥室内,人工控制和调节干燥介质(空气、过热蒸汽等)的温度、湿度和气流循环速度,利用对流等传热传湿的作用,对木材进行干燥的方法,叫做室干法。

利用干燥室对木材进行干燥处理是人工干燥的最基本的形式,也是目前国内外木材加工工业中应用最普遍的干燥木材的方法。这种干燥方法具有以下特点:

(1)需要建造干燥室或较大的金属结构设备,但占地面积比气干场地少。

(2)必须配置供热和供电的设备。

(3)干燥木材的生产周期短,容易保证木材加工全过程的连续性。

(4)木村的干燥程度不受自然条件、地区、季节和树种的限制,可根据要求获得任何程度的最终含水率。

(5)具有较成熟的干燥理论和工艺技术,能保证干燥质量。

(6)干燥设备的结构并不太复杂,使用安全可靠,不管那种类型的木材干燥室,只要按设计要求建造和定期维修保养,一般均可使用15年以上。

04、木材干燥的基本原则是什么?

木材干燥的基本原则是在保证干燥质量的前提下提高干燥速度,节约能源消耗,降低干燥费用。

干燥质量是指:必须使被干木材的含水率及干燥均匀度能满足加工工艺的要求;还必须保持木材的完整性、不发生工艺规范所不容许的缺陷,不削弱木材及其制品所应有的性质。

干燥速度是指:在单位时间内木材含水率降低的程度。干燥速度越快(或干燥周期越短),所需要的干燥设备与投资越少,生产率也就越高,干燥费用越少。

生产上选用干燥设备时,应根据被干木材的树种、规格、数量、用途和生产单位的现实条件等。对于现代化木材干燥室要求在工艺上能保证干燥介质的温度、湿度和气流速度、堆装的被干成材所受到的外部条件基本相同,以达到均匀干燥的目的,在操作上要安全可靠、控制灵活、工人的劳动强度小。设备投资少、占地小、见效快,节约能源,同时还应尽可能地减少对周围环境的污染。

05、木材干燥的基本原理是什么?

木材中的水分主要有自由水和吸着水两种。存在于由细胞腔组成的大毛细管系统内的水分叫做自由水,它的增减只影响木材的重量,而不影响木材的性质;存在于细胞壁组成的微毛细管系统内的水分叫做吸着水,它的变化,不仅能使木材产生收缩和膨胀,而且也将影响木材的其他物理力学性质。

木材干燥就是要排除木材中的自由水和吸着水,以适应不同的用途和质量要求。干燥木材的方法虽然有多种,但基本原理是共同的,即利用沿木材厚度上的含水率梯度,以及在加热后形成的内部大、外部小的水蒸汽分压力差,促使水分以液态和汽态两种形式连续地由内部向外部移动,并通过木材表面向外界蒸发;内部的水分移动强度应与表面的水分蒸发强度协调一致,使木材由表及里均衡地变干。

传统的蒸汽干燥室,它的干燥过程是:先使高温度(100℃以下)和高温度(饱和或接近饱和)的湿空气在循环流动中不断地穿过材堆,对木材预热。当木材及其水分被加热到一定程度后,按干燥基准的规定,降低介质的温度和相对湿度,迫使木材中的水分从表面蒸发,这是干燥开始。然后按照干燥基准规定的程序,逐步提高介质的温度及降低相对湿度,使木材中水分的蒸发面逐渐移向内部,直到干燥结束。在干燥过程中,应能消除或减轻内应力、开裂和变形,不降低木材的物理力学性质,以保证干燥质量。

06、什么叫干球温度?什么叫湿球温度?

在木材干燥生产中,经常需要测定空气的相对湿度,简称湿度。测定空气湿度的仪器是湿度计。

通常采用的湿度计是由两支经校正的温度计组成的。一支温度计的水银球外而包着纱布,纱布下面浸在清洁水里,另一支温度计的水银球不包沙布。水银球包着湿纱布的温度计叫做湿球温度计,用它测得的温度叫做湿球温度,用t湿表示;水银球没有包纱布的温度计叫做干球温度计,用它测得的温度叫做干球温度用t干表球。

当空气湿度较小时,包在湿球外的纱布中所含的水分要向空气中蒸发。水分蒸发时从湿球吸取热量,使得湿球温度小于干球温度,也就是小于空气的温度。干球温度和温球温度之间的差值,叫做湿度计差,或称干、湿球温度差,因其关系到蒸发能力,所以也可把湿度计差的数值干燥势,即:ε=t干-t湿 。

空气越干、湿度计差的数值越大,空气容纳水蒸汽的能力越强,湿木料中的水分蒸发越快。反之,空气越湿、湿度计差的数值越小,空气容纳水蒸汽的能力越弱,湿木料中的水分蒸发的就越慢。当空气完全被水蒸汽所饱和时,湿度φ=100%,干球温度和湿球温度相等,湿度计差的数值为零,此时,湿木料中的水分停止蒸发或空气和木材表面水蒸汽处于动平衡状态。

材干燥生产中,空气的湿度数值可在根据干球温度t干和湿度计差两个数值制定的湿度表上查得。

示例:在强制循环干燥室内,湿度计上的两个读数分别为t干=76℃,t湿=72℃,确定此状态下空气的相对湿度。

解:先计算出湿度计差:ε=t干-t湿=76-72=4(℃)

根据湿度计差为4℃,干球温度t干=76℃,在湿度表中可查得此时空气湿度,即:φ=83%

07、什么叫木材的含水率?

木材中水分的含量,叫做含水率,或称含水量。用水分的重量对木材的重量之比的百分率(%)表示。

木材的含水率有二种表示方式:第一种叫绝对含水率,或称含水率。用全干木材的重量作为计算基础,用字母W表示,其计算公式为:W=(湿材重量-全干材重量)/全干材重量x100% 。

第二种叫相对含水率,是用湿材重量作为计算基础的,用符号W0表示,计算公式为:W0=(湿材重量-全干材重量)/湿材重量x100%  。

在木材干燥生产中,广泛采用的是绝对含水率(简称含水率)。

08、什么叫自由水?什么叫吸着水?

木材中的毛细管系统有两大类,即大细管系统和微毛细管系统。木材中的水分就存在于这些毛细管系统之中。

由细胞腔组成的大毛细管系统,对水分的束缚力很小以至无束缚力,水分能够从大毛细管系统的断面自由地蒸发出去。因此,把存在于大毛细管系统内的水分,叫做自由水。自由水的增减,只能影响木材的重量、保存和燃烧能力,而不影响木材的性质。

由互相通连的细胞壁构成的微毛细管系统,对水分有程度不同的束缚力,若要使微毛细管系统内的水分向空中蒸发,必须把空气的湿度降低到一定的程度;或者在加热条件下加速水分的运动,才能克服微毛细管的束缚力,向空气中蒸发。同时,微毛细管系统不但在一定的条件下向空气中蒸发水分,而且也能够吸收空气中的水分。因此,把存在于微毛细管系统内的水分,叫做吸着水。吸着水的增减变化,不仅使木材发生膨胀和收缩,而且也影响到木材的其它物理力学性质。

另外,木材中还有一种化合水,它存在于木材的化学成分中。化合水的数理很小,只有在化学加工时,才有意义。

09、什么叫木材的纤维饱和点?

前面已讲到,吸着水存在于细胞壁内,而细胞壁能容纳水分的空间是有限的,也就是说吸着水的数量有一定限度。在大气条件下,当自由水已蒸发干净,而吸着水还保持着最高量时的木材含水率,叫做"纤维饱和点",亦称"吸湿极限",用W纤表示。

木材的纤维饱和点随树种与温度而异。就多种木材来说,在空气温度为20℃湿度为100%时。纤维饱和点的含水率W纤的平均值为30%,变异范围为23-33%。

纤维饱和点,随着温度的升高而变小。随着温度的升高,木材从饱和空气中吸湿的能力将降低。

木材的纤维饱和点这个概念,在干燥工艺中经常用到,应当记住。当木材的含水率在纤维饱和以上时(W纤>30%),木材不产生干缩;当木材含水率在纤维饱和点以下时(W纤<30%),其干缩趋势呈直线变化,即从含水率30%降低时,每减少1%,而相应的干缩系数的数值是不变的,只是随着树种及弦、径向的不同而稍有差异。

另外,木材的纤维饱主和点与其导电性有关。全干木材是良好的绝缘体。湿木材是半导体。当含水率由0%增加到30%左右时,木材的比电导加大达10万倍以上;含水率从30%增大到最高限度时,比电导的加大不过4倍。

10、什么叫木材的平衡含水率?

放置在大气中的湿木材,它的含水率将随着时间的延续而逐渐降低。当木材中的水分与大气中的水分不再进行交换而达到平衡状态,即水分处于静止状态时,木材的含水率即是该温度、湿度条件下的平衡含水率,以W衡表示。

平衡含水率随着木材所处的空气状态的不同而变化。当空气的相对湿度升高时,平衡含水率也升高;空气的相对湿度降低时,平衡含水率也降低;与上述情况相反,当空气温度升高时,将使平衡含水率降低。这就是说,随着温度的升高,木材的吸湿性将会降低。

木材在由湿变干和由干变湿的过程中,在一定的空气状态下都逐渐地趋向于平衡含水率。在一般的情况下,由湿变干的含水率常常稍大于由干变湿的含水率。这是由于木材的微毛细管系统内的空隙,已有一部分被渗透进来的空气所占据,而防碍了木材对水分吸收的缘故。这个现象叫做吸湿滞后或吸收滞后,用ΔW表示。

单板、木屑、刨花等细小木料的吸收滞后的数值极小,可以忽略不计。

气干材的吸收滞后的数值不大,实际生产上可以不计。

室干成材的吸收滞后数值较大。干燥期间介质的温度越高,成材的吸收滞后越大。吸收滞后数值的变异范围在1-5%,平均值为2.5%。

木材平衡含水率,在实际生产上有一定的意义。某地区的木材在干燥时,一定要达到该地区的木材平衡含水率范围。否则,将会影响木材制品的质量。

11、为什么木材各个方向的干缩程度不一样?

木材是各向异性的,其干缩情况也比较复杂。干缩情况不但随树种而不同,就是同一块木材,纵向、弦向、径向的干缩也不一样,纵向干缩极小,弦向干缩最大,径向干缩约为弦向干缩的1/3-1/2。木材是由许许多多的长细胞组成的。在纤维的饱和点以下,当吸着水减小时,木材细胞长度上的干缩不如截面的变细来的得大,所以纵向干缩极小。

弦向干缩大于径向干缩的原因是:

(1)木射线细胞在径向上是它的长度,在弦向上是它的端面,而木射线的横向干缩较纵向干缩大;

(2)木射线沿径向排列,牵制着其它纵行细胞的收缩,而弦向上就不受这种牵制作用;

(3)有些细胞在干缩时,弦向受到压力而径向却微有伸长;

(4)木材径而细胞壁上的纹孔大而多,细胞壁的含量少,也就干缩小;而木材弦面细胞壁的纹孔小而少,细胞壁的含量多,也就干缩大。

由于木材在各个方向上的干缩不同,在使用木材时应引起重视,纵向干缩(沿着纤维方向的干缩)极小,在工业生产上不考虑留有干燥余量;由于一般成材大多都是弦面板,配料时必须留有足够的干缩余量。

在干燥过程中,由于木材在径向与弦向的干缩率不同,在同一含水率阶段二者的差别越大,木材发生干裂的可能性也越大。若径向与弦向的干缩率差别在干燥初期就比较大,木材将会发生表裂,在干燥中期与后期二者的差别还比较大时,木材将易于产生内裂。为避免上述现象的发生,在干燥工艺上就必须采取喷蒸处理(预热处理、中间处理、后期处理)的措施。

12、干燥过程中产生干燥缺陷的原因是什么?

在木材干燥过程中会产生各种缺陷,这些缺陷大多数是能够防止或减轻的。变形大体上是由树种、材料等级等因素而决定的;塌陷容易发生在某些树种靠近髓心的径向材上;开裂在干燥初期出现的是端面开裂和表面开裂,干燥后期发生内部开裂。

(1)初期开裂:干燥初期的开裂有两种,即端面开裂和表面开裂。端面开裂多数是制材前原木的生长应力和干缩出现的裂纹。当干燥条件恶劣时会发生的新的端裂,而且使原来的裂纹进一步扩展。表面开裂会从木材端面延伸到内部。厚度2厘米以下的板发生干燥初期的表面开裂较厉害,厚度1厘米以下的板材几乎没有。表面开裂的原因是因为表层干燥后要收缩,但受到了内部的约束。与其有关的因子是木材的干燥条件、干缩率、水分移动的难易程度以及材料抵抗变形的能力等。

在同一干燥条件下,木材的密度越大,越容易产生开裂;弦向材宽度方向的干缩量约是径向材的2倍,所以弦向材容易发生表面开裂。

干燥温度和表面开裂关系密切。在0-5℃的低温时容易发生开裂,其主要原因是温度低、水分扩散系数小、含水率梯度大。所以冬季自然干燥时,应尽量避免将易开裂的木材暴露在强烈的北风中。

温度在50℃以上干燥木时,也容易发生表面开裂。对容易发生细胞塌陷的树种,用60-75℃进行缓慢干燥,若干湿球温度差急剧增大,容易发生表面开裂。在一定的温度条件下,对细胞塌陷小,但容易开裂的木材干燥时,温度高,容易开裂。因此就该选择适合的干燥条件,防止木材发生初期开裂。

(2)塌陷:所谓塌陷主要指因细胞的极端变形使木材出现了异常变形,它是由于细胞腔产生了因水分的变化引起的拉力与压应力的原因。一般含水率高的木材,干燥初期若温度过高时容易发生塌陷。根据树种不同,塌陷集中的部分会出现板面的凸凹不平现象。为了避免产生这种缺陷,对于塌陷大的树种,可经过一段时间的气干或用低温进行干燥。

(3)内部开裂:干燥厚度1厘米以下的薄板或用气干的方法,几乎不会发生内部开裂。内部开裂是表面开裂向内发展之后,表面开裂闭合而形成的,也有表面没有裂纹只在内部发生开裂的情况。     

弦向材的内裂发生在干燥末期,是因为内层沿宽度方向收缩比表面大的原因。内部开裂与干燥温度的关系很大。一般干燥初期温度较低(50℃左右),表层细胞发生塌陷困难。但是,木材内层在含水率高的状态下长期受热,随着干燥的进行,干燥温度逐渐地上升,细胞塌陷也就加大。所以大多数厚板因内部受热时间的加长,而容易发生内部开裂。另外,如果干燥初期干湿球温差大,表层张应力就大,再加上内部细胞如果有塌陷,也容易产生内部开裂。

(4)变形:被干木材的变形主要有横弯、纵弯、扭曲和翘曲等几种,主要原因是各部位的收缩不同、不同组织间(如木射线与纤维素、心边材)的收缩差及其局部塌陷而引起的。

(5)变色:木材经干燥后都不同程度地会发生变色现象,有的比较严重。变色有两种:一种是由于变色菌、腐朽菌的繁殖而发生了变色;一种是由于木材中含有的成分在湿热状态下酸化而造成的变色。用高温干燥含水率高的木材时往往会使木材的颜色加深或变暗;有时也会因喷蒸处理时湿度过大或干燥室长期未清扫而使木材表面变黑。

 

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关键词:木材干燥
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