木材干燥理論在木材加工技術(shù)中的應(yīng)用分析

1、第32卷第5期2008年9月南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)JournalofNanjingForestryUniversity(NaturalSciencesEdition)Vol.32,No.5Sept.,2008木材干燥理論在木材加工技術(shù)中的應(yīng)用分析顧煉百(南京林業(yè)大學(xué)木材工業(yè)學(xué)院,江蘇南京210037)摘要:木材干燥理論(平衡含水率、木材傳熱及水分?jǐn)U散、干燥應(yīng)力和應(yīng)變等)在木材的預(yù)處理、木材干燥工藝過程、木材的保護(hù)(貯存、殺蟲和防霉)、木制品的加工,以及木結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計中都有廣泛的應(yīng)用。干燥理論對提高木材干燥的質(zhì)量、縮短干燥時間、節(jié)約能耗、防止木制品在使用中開裂和變形,以及對保證木結(jié)構(gòu)的

2、強度和安全有著重要的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞:平衡含水率;傳熱;水分?jǐn)U散;應(yīng)力和應(yīng)變中圖分類號:S781.71文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-2006(2008)05-0027-05ApplicationofwooddryingtheoryinlumberprocessingGULian2bai(CollegeofWoodScienceandTechnologyNanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)Abstract:Wooddryingtheory,i.e.,EquilibriumMoisture(E,2diffusion,dryingstres

3、sandstrainetc.waswidelyappliedinwoodpretreatmpron(storage,woodsterilization),wood2productsmanufacturingand.Wooddryingtheoryplayedanimportantroleinimprovingwoodtime,savingenergy2consumption,preventingchecksanddeformationsof2andsafetyofwood2structure.Keywords:E22diffusion;Stressandstrain木材干燥是木材加工生產(chǎn)中的關(guān)

4、鍵工序,對提高木制品質(zhì)量、節(jié)能降耗起著至關(guān)重要的作用。木材干燥又是木材科學(xué)與技術(shù)學(xué)科中理論性和實用性都很強的學(xué)科分支。研究木材干燥理論,不僅是用它來解釋木材加工生產(chǎn)中的一些現(xiàn)象和道理,更主要的是將它和生產(chǎn)實踐結(jié)合起來,用理論去指導(dǎo)加工生產(chǎn),促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展。1木材平衡含水率理論的應(yīng)用111木制品推薦含水率的確定木制品的推薦含水率除了與它的用途有關(guān),更與它使用環(huán)境的空氣狀態(tài)有關(guān)。一般高檔、精密的木制品及在干燥氣候帶使用的木制品,需要干燥到較低的含水率。我國是幅員遼闊、氣候多樣的國家,從西北到東南地區(qū),氣候逐漸溫暖潮濕。因此,木材的平衡含水率從西北向東南逐漸增高,變化規(guī)律明顯。另外,黃河以北的北方廣

5、大地區(qū),每年有相當(dāng)長的室內(nèi)采暖期。這使北方冬天室內(nèi)空氣相當(dāng)干燥,相對濕度約為30%35%,而夏天室內(nèi)空氣的相對濕度較高,可達(dá)70%。這樣,北方有采暖地區(qū),室內(nèi)木材的平衡含水率可從冬天的6%,變化到夏天的14%15%。但室內(nèi)木制品的實際含水率變化,遠(yuǎn)沒有平衡含水率大。1如北京地區(qū),室內(nèi)木材的實際穩(wěn)定含水率,冬天為8%,夏天(8月)為1115%,全年平均為914%。原因是木材的吸濕或解吸過程是很緩慢的變化過程,需要較長的時間;另外,木制品有一定的尺寸,其吸濕滯后較大(一般為215%3%);再者,木制品表面的油漆涂層也阻礙了木材對空氣中水分的吸附?；谝陨戏治?建議在我國北方室內(nèi)使用的木制品含水率為

6、7%9%;南方室內(nèi)使用的木制品含水率為11%12%。出口到北美及歐洲發(fā)達(dá)國家的室內(nèi)用木制品含水率推薦值一般為7%8%;沿海地區(qū)使用的木制收稿日期:2008-04-02修回日期:2008-07-10作者簡介:顧煉百(1940),男,教授,主要研究方向為木材干燥,gulianbai。引文格式:顧煉百.木材干燥理論在木材加工技術(shù)中的應(yīng)用分析J.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,32(5):27231.28南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第32卷品含水率可達(dá)11%。在以上推薦的含水率范圍內(nèi),木制品的尺寸和形狀一般不會發(fā)生顯著的變化。112木材的預(yù)處理及干燥由于脫脂和改變顏色等的需要,鋸材(特別是松

7、木鋸材)干燥前,有時需預(yù)汽蒸處理。人們會誤認(rèn)為汽蒸處理只是將鋸材熱透,不會改變木材的含水率。其實不然,因為在常壓飽和蒸汽(溫度100,相對濕度100%)條件下,木材的平衡含水率只有22%。濕材或生材在這種介質(zhì)條件下,其表層含水率會向22%靠近,從而蒸發(fā)水分。對于松木等軟材,一般不會因此而開裂,但對于硬闊葉樹濕材,在飽和蒸汽條件下汽蒸,就會由于表層水分的較快蒸發(fā)而產(chǎn)生表裂,故硬闊葉樹濕材應(yīng)采用7080的飽和濕空氣來預(yù)熱處理,這時木材的平衡含水率為25%26%,且溫度大幅度降低,因此,木材表面水分蒸發(fā)要緩和得多,從而可防止表裂。木材干燥過程中,介質(zhì)的溫、濕度通常是分階段變化的:干燥初期溫度低、濕度

8、較高,平衡含水率約為13%18%(硬闊葉材取高值,針葉材薄板取低值);干燥中期溫度適當(dāng)升高,濕度適當(dāng)降低,平衡含水率約為8%12%;干燥末期平衡含水率大幅度降低,其值約為312%515%(預(yù)定終含水率高時,取高值;終含水率低時,取低值)。終了平衡處理時,木材的平衡含水率比預(yù)定的終含水率低2%,以保證較濕的鋸材進(jìn)一步干燥,而已達(dá)到含水率要求的鋸材停止干燥,從而使鋸材終含水率均勻。終了調(diào)濕處理時,木材的平衡含水率比預(yù)定的終含水率高3%4%,以使過干的木材表層適當(dāng)吸收一些水分,從而消除或減輕表面硬化和殘余應(yīng)力。113干鋸材的貯存、加工和運輸現(xiàn)代化的木材加工廠,安裝蒸汽或熱水散熱管,從而有效防止干材吸

9、濕。,故在倉庫內(nèi)設(shè)置自動調(diào)濕器來35%,當(dāng)空氣溫度在1036之間變化時,61711%。這說明只要保持空氣的相對濕度不變,即使空()(016%)。若工廠沒有條件安裝自動調(diào)濕器,則可人,使之比周圍大氣溫度高出611(夏、秋季晴天取低值,冬季或雨天取高值),也能達(dá)到降濕防潮的目的。干鋸材加工時,暴露在空氣中的表面積,比在倉庫中密實堆積時大,若不采取措施,時間一長很容易吸濕,特別是在陰雨天。因此,干鋸材加工的周期應(yīng)盡量縮短,避免在車間內(nèi)長期堆放。若必須有中間倉庫時,也應(yīng)該用人造板或塑料布將干鋸材圍蓋起來;且最好用除濕機抽濕,以免干鋸材在中間倉庫堆放時重新吸濕。木制品機械加工之后,應(yīng)盡快涂油漆。制成的木

10、制品應(yīng)盡快用塑料布或油紙密封打包,裝入包裝箱,并盡快運往目的地。2木材傳熱理論的應(yīng)用211木材加熱時間(或溫度)的理論計算木材在氣體或液體介質(zhì)中的加熱,是在對流換熱邊界條件下的不穩(wěn)定導(dǎo)熱現(xiàn)象,即木材中的溫度值隨時間而變化。木材中任意一點的溫度變化,可用傅立葉偏微分方程來確定:=a(52t/5x2+52t/5y2),(1)5t/5式中:t為木材中任意一點(x,y)在時間時的溫度,因生產(chǎn)中鋸材的長度遠(yuǎn)大于其寬度和厚度,故沿2122長度z方向的傳熱可忽略;為加熱時間,h;a為木材的導(dǎo)溫系數(shù),m/h,a與木材的密度和含水率有關(guān)。木材在飽和介質(zhì)(飽和蒸汽、飽和濕空氣、熱水等)中加熱時,從介質(zhì)到木材表面的

11、放熱系數(shù)趨向于無窮大,這時可認(rèn)為木材表面的溫度近似等于加熱介質(zhì)的溫度。初始和邊界條件為:開始加熱時,=0,t=t0;當(dāng)x=0,y=0,或x=b,y=h時,t=ts。式中:t為木材中指定點的溫度,;t0為加熱前木材的初溫(室溫或室外大氣溫度),;ts為加熱時木材的表面溫度,對于飽和介質(zhì)加熱,近似等于介質(zhì)溫度;x,y分別為木材內(nèi)指定點的橫、縱坐標(biāo);b,h分別為木材在x和y軸方向的尺寸,即木材的寬度和厚度,m;為加熱時間,h。將上述邊界條件代入方程(1),則可求得木材中指定點的溫度。如木材中心點的溫度tc為:第5期顧煉百:木材干燥理論在木材加工技術(shù)中的應(yīng)用分析29(2)tc=ts+(t0-ts)22

12、-2+2b,2式中:a為木材的導(dǎo)溫系數(shù),可查表求得。根據(jù)式(2),在邊界條件已知的情況下,只要知道加熱時間,就可求得木材中心溫度tc;或指定木材中心要加熱到一定溫度tc,可求得所需的加熱時間。用50mm150mm的赤松濕材及50mm200mm的白樺濕材,分別在100的飽和蒸汽及5611%飽和濕空氣中加熱3h,用熱電偶測得木材中心溫度分別為9917及5519;利用式(2)計算可得木材中心3溫度分別為9916和5517。說明木材在飽和介質(zhì)中加熱時間(或溫度)的理論計算相當(dāng)精確。木材在不飽和介質(zhì)中加熱時,其表面有較強的水分蒸發(fā),要消耗汽化熱,表面溫度ts小于介質(zhì)溫度,式(1)無法直接求解。而且介質(zhì)濕

13、度越低,即干、濕球溫差越大,木材表面水分蒸發(fā)越劇烈,木材表面溫度相對于介質(zhì)溫度越低,木材中心加熱到指定溫度所需的時間越長。即木材在不飽和介質(zhì)(如濕空氣)中加熱所需的時間,比在同樣溫度的飽和介質(zhì)中要長得多。212木材加熱殺菌、殺蟲的實施(1)加熱防霉。生材在溫度為49以下且高濕的條件下,木材表面可能生霉菌。霉菌不會深入木材內(nèi)部,引起嚴(yán)重的變色,但會影響木材表面的氣流循環(huán)。向干燥窯內(nèi)噴蒸。用溫度55以上、相對濕度100%的濕空氣處理2h,即可殺死霉菌。表1殺死蠹蟲、甲蟲及其蟲卵的加熱基準(zhǔn)(2)加熱防真菌。木材遭受真菌侵害時,最簡單的防止辦法,也是加熱。溫度44的空氣可停止Table1Heating

14、2schedulesillingLyctusbeetlesandireggs腐朽真菌的生長,但不能將其殺死。用溫度66以4板厚平衡含時間上的熱空氣處理24h,可殺死腐朽和變色真菌?；鶞?zhǔn)/mm水率/%/hThickness木材一旦干燥至20%的含水率以下,No.W2bulbRelativeEMCTimedepressionhumidityoflumber腐朽、變色的真菌。253(3)加熱殺蟲16048114505757,2510時間后,。若有蛀蟲,可用噴蒸加熱2559609155012的方法使鋸材中心熱透到一定的溫度,并保持一段75144時間,可殺死蠹蟲、甲蟲及其蟲卵(表1)。但木材注:時間為窯

15、達(dá)到指定溫度后保持的時間,包括木材中心加熱到指定溫度的額定時間,以及考慮到安全因素的附加時間。被殺蟲后,將來還可能再生蟲。殺蟲時采用的平衡含水率應(yīng)與木材的含水率相近。1號基準(zhǔn)適合于含水率14%以上的木材;2號基準(zhǔn)適用于含水率8%10%的木材?？傊?加熱介質(zhì)的溫度和濕度越高,所需的加熱時間越短。3木材水分?jǐn)U散理論的應(yīng)用木材中水分移動的最主要方式是擴散。干燥速度的大小主要是由擴散速度支配的。干燥過程中,通常木材內(nèi)水分的擴散是一種非穩(wěn)態(tài)不等溫水分?jǐn)U散現(xiàn)象,即水分?jǐn)U散強度、含水率梯度及溫度梯度都是隨空間和時間而變化的。其擴散方程為5:,(3)=DT+DTtdTx式中:5M/5t為木材內(nèi)部含水率的變化速

16、率,反映了水分?jǐn)U散強度的大小;DT為木材中吸著水橫向擴散系數(shù);dM/dT為熱力梯度系數(shù),即1的溫度差引起的含水率差;5T/5x和5M/5x分別為木材中的溫度梯度和含水率梯度。由式(3)可見,木材中水分?jǐn)U散強度取決于溫度梯度和含水率梯度,溫度梯度和含水率梯度是木材中水分?jǐn)U散的驅(qū)動力。要提高干燥速度,可以加大含水率梯度或溫度梯度。但過大的含水率梯度會引起木材內(nèi)外層干縮差異的增大,在木材橫紋方向(特別是弦向)引起較大的內(nèi)應(yīng)力,從而產(chǎn)生木材的表裂(干燥前期)及內(nèi)裂(干燥后期)。而利用溫度梯度來提高干燥速度是一種既安全又有效的辦法。具體措施如下:(1)預(yù)熱處理和中間處理。即在干燥過程之前或干燥過程的某階

17、段,噴射高溫高濕的蒸汽,處理木材數(shù)小時,使木材內(nèi)外層都熱透,然后將窯內(nèi)介質(zhì)溫度下降8左右,在降溫過程中,木材表層的溫度先降30南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第32卷低,而內(nèi)部溫度下降很緩慢,這樣就形成了內(nèi)高、外低的溫度梯度,在熱力梯度的作用下,將木材芯層的水分“拔”出來。(2)波動或半波動基準(zhǔn)(通常采用后者)。即干燥硬闊葉樹材厚板時,木材芯層的水分很難向外推除,特別是當(dāng)木材含水率下降到30%以下時,吸著水的排除非常緩慢。這時可用高溫高濕的介質(zhì)加熱木材,使其在原有的溫度水平上升高約14,注意濕度一定要同時升高,干、濕球溫度差只能為35,否則在升溫過程中,就會引起木材開裂。每次波動的升溫及保溫時間

18、約為1618h,然后使介質(zhì)溫度大幅度下降(降幅達(dá)2030),每次波動的降溫時間約2025h。緊接著使介質(zhì)溫濕度恢復(fù)到基準(zhǔn)規(guī)定的常溫,這樣就完成了一次波動,即每次波動由升溫、降溫和常溫3個階段組成?？蛇M(jìn)行數(shù)次波動,直至木材含水率達(dá)到規(guī)定要求。(3)降溫基準(zhǔn)。即干燥初期就將干燥溫度升至最高值,一般90以上甚至超過100,同時介質(zhì)濕度也很高;然后隨著干燥過程的進(jìn)行,逐步降低溫度和濕度。這樣木材中心溫度始終高于表面溫度,利用溫度梯度的動力,促使木材內(nèi)部的水分向表面移動。從而可加快干燥速度,縮短干燥過程。這是全過程的降溫基準(zhǔn)。另一種是前期恒高溫,后期降溫基準(zhǔn)。即大部分干燥過程采用恒高溫(如120)基準(zhǔn),

19、但在干燥進(jìn)行到一定的含水率階段時,采用降溫基準(zhǔn),減少對木材供熱,利用木材中在高溫下積蓄的熱量及內(nèi)高外低的溫度梯度和含水率梯度,促使木材內(nèi)部的水分向表面擴散移動。如40mm150mm輻射松弦切板材,初含水率140164%,預(yù)汽蒸處理2h,然后采用先高溫后降溫基準(zhǔn)干燥,其效果及與恒高溫干燥的對比見表26。表2Table2Resultofcombinationdryingofradiateinemperafallingtemperature沿板厚含水率偏差調(diào)濕殘余總周/%MC處理應(yīng)力期/hvariation/h/%TotalalongConditi2Residualdurationthickness

20、oningstressofboard1187017264153410281511460192干燥基準(zhǔn)DryingSchedules恒高溫干燥先高溫后降溫初含水率/%InitialMC預(yù)汽蒸時間/hPresteam/時間/h高溫階段High2/hdurationstage開始降溫速度降溫時間結(jié)束終含水率/%FinalMC14119214016422120120939324181610112-5/h-6h-61757153無芯層含水率26%溫度降至90由表2可見,采用先高溫后降溫干燥后,干燥總周期縮短515h,干燥質(zhì)量改善;沿板厚含水率偏差減小,殘余應(yīng)力下降。但采用降溫基準(zhǔn)的先決條件是:被干燥的板

21、材能經(jīng)受高溫而不產(chǎn)生開裂等缺陷;干燥裝置能在較短的時間內(nèi)被加熱到100以上的高溫。因此,降溫基準(zhǔn)多適用于針葉樹材,而用于硬闊葉樹材時,由于木材能經(jīng)受的溫度較低(特別是生材干燥初期),可降溫的幅度有限,因此效果不顯著。4干燥應(yīng)力、應(yīng)變理論的應(yīng)用411干燥基準(zhǔn)的制定生材干燥初期,木材表層的水分蒸發(fā)很快,而芯層的水分向表面移動較慢,木材橫斷面上含水率梯度較大。木材表層的干縮總是受到內(nèi)層的抑制,故干燥初期木材表層受到的應(yīng)力最大,且應(yīng)力發(fā)展很快。又初期木材的含水率較高,因而強度較低,為保證木材質(zhì)量,初期采用較低的干燥溫度和較高的濕度,人為地約束干燥速度,以防止木材表裂。當(dāng)干燥進(jìn)行到1/3周期時,雖然木材

22、的平均含水率還在纖維飽和點以上,但木材細(xì)胞腔中為排除自由水引起相當(dāng)大的毛細(xì)管張力,對細(xì)胞壁產(chǎn)生很大的吸引力,加上此時木材內(nèi)部受到的壓應(yīng)力達(dá)最大值,這兩種力相疊加,很容易引起細(xì)胞壁向細(xì)胞腔潰陷,從而產(chǎn)生皺縮。故滲透性較差的木材(如桉木),要適當(dāng)減慢自由水的排除速度,以防皺縮。干燥后期,木材表層由于前期的拉伸塑性變形,已產(chǎn)生嚴(yán)重的表面硬化,沒有干縮到應(yīng)有的數(shù)值;而芯層由于前期的壓縮塑性變形,產(chǎn)生過大的干縮。待后期,木材芯層的含水率降到纖維飽和點以下,芯層進(jìn)一步干縮受到表層的抑制,使芯層受到過大的拉應(yīng)力,從而產(chǎn)生內(nèi)裂。在芯層含水率降到纖維飽和點之前,不能過大幅度地提高溫度和降低濕度,以防內(nèi)裂的產(chǎn)生。

23、第5期顧煉百:木材干燥理論在木材加工技術(shù)中的應(yīng)用分析31412木結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計木結(jié)構(gòu)強度設(shè)計時,不僅要考慮外載荷的大小,及載荷作用的持續(xù)期(長期載荷),而且要考慮到周圍氣候條件(包括大氣氣候及室內(nèi)的小氣候)及氣候的變化對木結(jié)構(gòu)強度的附加影響。木結(jié)構(gòu)是由木材組成。木材會從周圍空氣中吸收水分,其含水率與空氣濕度趨于平衡。在不同的氣候條件下,木材的含水率會有波動,又含水率對木材的強度有直接的影響,通常隨著吸著水含水率的升高,木材的強度降低。而且氣候(溫、濕度)的急劇變化,會引起木材中含水率梯度的變化,從而引起木材中的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生,增加了木結(jié)構(gòu)破壞的危險。因此,木結(jié)構(gòu)強度設(shè)計時,有學(xué)者建議將氣候變化作為一種附加7的載荷來考慮。根據(jù)流變學(xué)的原理,木結(jié)構(gòu)中由于各層含水率變化不一致產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變,可用如下方程表示8:tot=s+tot=e+ve+ms,M-E,(4)+at+mMn式中:tot和tot分別為總應(yīng)變和總應(yīng)力;s為干縮應(yīng)變,是隨木材吸著水含水率降低(M)而增大的木材固有性質(zhì);e為彈性應(yīng)變,與木材彈性模量E及吸著水含水率有關(guān),待木材中含水率均勻后,此應(yīng)變即消失;的延長而增大,可由黏彈性系數(shù)a和n用實驗法確定;ve為黏彈性應(yīng)變,隨應(yīng)力作用時間tms為機械吸附應(yīng)變,是永久的殘余應(yīng)變,隨木材溫