林业产品加工与利用.doc

zxd arthur 工作室林业产品加工与利用前言 森林物质产品森林物质产品：主要包括木材产品、生物能源产品及非木质产品等三类。一、木材产品 木材：广义(wood)泛指树木的木质部。狭义(timber)指可用于建筑、结构方面的木质材料,多少经过加工或制成一定规格的木料。木材加工制品： 木材是森林的初级产品。它既是国民经济发展重要的原材料及人们日常生活的重要生活资料，也是其它木材加工制品的原料。 其它木材加工制品可分为： 1、机械加工制品 如制材、刨花板、纤维板以及家具制品等 2、林产化工产品 指以林产品为原料，经过化学和物理加工方法生产的产品。如纸、纸浆、木材水解产品和干馏产品等林产工业：是对木材资源进行物理或化学加工的工业，主要产品为锯材、人造板、家具、造纸和木制工艺品，是森林工业的重要组成部分。 林产工业品分为两大类： 1、木材加工工业品 是以木材或木材纤维为原料生产的产品。 2、林产品加工工业品 主要是指利用树木的某一部分，如根、叶、果、树液等生产的产品。我国的林产工业虽然发展迅速，但积累的问题也十分突出：（1)产业结构不合理，初级、低档产品多，精深加工产品少。（2)产业总体素质不高，企业规模普遍偏小，国际名优品牌少；产品科技含量低，2008年全行业的科技贡献率不到 40。（3)抗风险能力不强，面对知识产权保护、反倾销等国际贸易摩擦，应对乏力。特别是国家对木材类产品实施税率调整后，部分中小企业只得转产或停产。（4)产业政策和服务体系不完善，宏观调控乏力，投、融资和税费政策不完善，社会服务体系不健全，政府和非政府组 织的服务功能尚未得到充分发挥。从国际层面看，目前我国林产工业对进口原料的依存度已接近50，产品销售对海外市场的依存度也接近40。同时，我国林产品出口市场主要集中在美、日、欧盟、英国和韩国等国家，占出口总额的55。木材产品主要应用于建筑、矿山开发、铁路和公路建设、造船和汽车工业、造纸和装饰装潢等领域，同时也广泛应用于农业生产资料的生产中。二、重要的木质燃料和生物能源森林的物质产品作为生物质能源消费主要分为两类： 1、传统的生物能源利用 即主要用于烹煮食物和取暖。 2、现代化的生物能源利用 其典型特征是市场交易，主要用于工业、交通和商业部门。例如：用于冶金和钢铁工业的木炭，用于火力发电和其它工业锅炉的薪炭或用于生产商品炉具的精制燃料或液化燃料，如发展乙醇、沼气，都属于现代化的生物能源利用。生物质能源：是指利用自然界的植物、粪便以及城乡有机废物转化成的能源。 依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为五大类：林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等。 生物质能源的特点： （1) 可再生性 （2) 低污染性（3) 广泛分布性 （4) 生物质燃料总量十分丰富生物质能源的利用： 包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。 三、非木质林产品（一）非木质林产品的由来 非木质林产品是食物、饲料、纤维、医药、化妆品等的主要来源，其利用历史和人类文明一样悠久。 “林产品”作为专业术语可解释为“一块林地上所产生的全部物质”。 “林产品”可进一步划分为： 主林产品：木材和薪材划为“主林产品”, 副林产品：从森林中获得的其他产品则称为“副林产品”, “副”这个字表达一个不重要的概念，故在第四届世界林业大会（1954年）建议将“林副产品”称为“非木质林产品”（non-timber forest produce).根据联合国粮农组织(fao)的定义：非木质林产品是从以森林资源为核心的生物群落中获得的能满足人类生存或生产需要的产品和服务。包括植物类产品如野果、药材等；动物类产品如野生动物的蛋白质、昆虫产品(蜂蜜、紫胶)；服务类产品如森林游等。（二）非木质林产品的传统作用1、食物安全和营养 森林食品包括水果、树叶、种子和坚果、块茎和根、菌类、树胶、蜂蜜和树液。森林野生植物是食物的主要来源。这些食物提供基本的维生素、矿物质、碳水化合物和蛋白质。2、药材和其它产品3、文化信仰 应该认识到非木质林产品在当地文化信仰和习俗中的重要性。（三）非木质林产品的分类重要的非木质林产品可按用途划分非如下类型： 纤维：竹类、藤本植物、禾本科植物、长纤维植物等。 药用植物：传统和现代医学中应用的植物非常之多； 食品：花、果、根、香料、树胶、油、蜜、蘑菇、动物产品等； 分泌物：树胶、松脂、硬树脂、龙脑香树脂、橡胶等； 工业油：印度楝油、桐油、牛油树油灯； 香精油：茴香油、香柏木油、香茅油、檀香油等； 鞣料和染料：金合欢、胭脂树、粗糠柴、散沫花等； 多用途的：沉香、除虫菊、有花植物、兰花等。四、我国林业政策林业第一产业：速生丰产用材林、种苗、野生动物驯养。林业第二产业：人造板制造业、家具制造业、林产化工林业第三产业：主要是指森林旅游业 我国三大林区：东北林区主要包括大兴安岭北部、小兴安岭和长白山地，是我国森林资源最丰富的林区。西南林区主要包括横断山区、雅鲁藏布江大拐弯处和喜马拉雅山南坡，是我国第二大林区。南方林区主要包括秦岭-淮河以南的丘陵山地。我国林业具体政策取向主要为以下五个方面：1、由以利用林木资源为主向以利用林地资源、林区资源为主转变：提高林地产出率，扩大林业产业发展基础；将资源优势转化为经济优势，以森林的多功能满足人们的多需求。2、由以利用天然林为主向以利用人工林为主转变：加大用材林基地建设规模，增加木材有效供给；注重“次小薪”材加工利用技术开发；加强大径级珍贵树种的培育；促进竹产业的发展；加快生产力布局调整，促进南方木材加工区的形成和壮大。3、提高木材综合利用率，发展木材节约代用。4、坚持两种资源、两个市场：立足两种资源、两个市场，实施“走出去”的开发战略，尽可能多地利用国外森林资源。在当前，应积极参与俄罗斯远东地区的森林资源开发，加大从俄罗斯进口木材的力度。俄罗斯森林资源丰富，并已意识到与我国合作开发森林资源的重要性。要抓住这一有利时机，采取切实有效措施，组织协调国内有关企业积极参与有关合作开发项目，建立稳定的资源供应基地。5、尊重市场规律，加强和完善宏观调控：建立市场准入制度，使有限资源得到充分利用；制定行业规划和产业政策，引导市场有序发展；建立预测预警信息系统，规避市场风险；综合运用多种手段，加强宏观调控；培育和扶持龙头企业，打造名牌产品；培育壮大产业协会，发挥行业自律作用。第一章 制材学制材学是一门研究原木的特性、原木与制材的储存和保管，制材设备的使用、原木的加工工艺、锯材的深加工以及制材企业设计的理论与技术的课程。 制材学研究的主要内容是围绕制材企业的生产经营活动，以先进技术和科学管理的手段，提高企业的整体效益和现代化水平。第一节 制材生产的原料和产品制材生产的原料原木 2个概念：原条：树木伐倒后，去枝的树干称为原条。原木：沿着原条方向，按尺寸、形状、质量和 国家木材标准或企业订制计划，截成一 定长度的木段称为原木。一、原木的种类 按树种分：针叶材、阔叶材 按使用方式分：直接用原木矿井坑木、房屋檩条等 锯切用原木旋切、刨切、小径原木等二、原木特性 （一）原木的基本特性 体积湿胀干缩，组织不均匀，材性不一致，有天然缺陷，易发生开裂变形；另一方面，木材强重比大，透气性好，花纹美丽，隔热绝缘，容易加工，是一种理想的天然材料，可以再生。 木材的化学特性、物理特性、材质特性（略）（二）原木的形状特性1、原木的断面形状 根据调查实测，主要有椭圆形、蛋圆形、近似圆形、三角形、四边形和五边形等数种。2、尖削度尖削度：原木单位长度上的大头直径与小头直径之差。 用公式表示为：s=（d-d）/l(cm/m)d原木大头直径，cm;d原木小头直径， cm;l原木长度，m。3、弯曲度 原木的弯曲程度为弯曲度，是指原条或原木的最大弯曲高度与其内曲面水平长度之比的百分数。 用公式表示为：f=h/c100%h原木的最大弯曲高度，cm；c 原木内曲面水平长度， cm。（三）木材缺陷及分布规律木材缺陷是指树木在生理上和生长发育过程中受到外界环境的影响，或砍伐后保管不良、木材加工不当等原因，引起的木材组织不正常或受到的破坏，它影响了木材材质，改变了正常木材性能，减低了木材利用率和使用。我国木材标准gb/t15787-2006原木检验术语的定义是：凡呈现在原木上能降低质量、影响使用的各种缺点，称为木材缺陷。 1、木材缺陷分类n 按gb/t1552006原木缺陷规定分：节子、裂纹、干形缺陷、木材结构缺陷、由真菌造成的缺陷、伤害共分六大类。n 按gb/t48231995锯材缺陷规定分：节子、变色、腐朽、蛀孔、裂纹、木材构造缺陷、损伤、加工缺陷、变形共分九大类。2、木材缺陷成形原因l 生理原因：即树木在生长过程中产生的缺陷，此类缺陷只可适量控制，不可完全避免，如节子、树干形状缺陷、木材构造缺陷等l 病理原因：在生长过程中或伐倒后受到生物因子如菌类、虫类等危害而形成的缺陷，是后天性的，保护措施适当则可减缓甚至避免发生，如变色、腐朽、虫眼、裂纹、伤疤等。l 加工原因：由生产、加工技术不良或经营管理不善而造成的缺陷，这类缺陷也是后天性的，可减轻或避免，如机械损伤、加工缺陷等。3、木材的主要缺陷（1）生长缺陷 主要包括：节子，裂纹，树干形状缺陷，木材构造缺陷，损伤。节子：是树木生长过程中隐生在树干内的枝丫基部。根据节子的质地及其与周围木材相连的情况，分为活节、死节和漏节。裂纹：木材纤维与纤维之间分离所形成的裂隙，叫开裂或裂纹。 树干形状缺陷：树木在生长过程中受到环境条件的影响，使树干出现不正常或不规则的形状称为树干形状缺陷，这类缺陷主要有弯曲、尖削，大兜、凹兜和树瘤等。 木材构造缺陷：凡是树干由于不正常构造所形成的各种缺陷，称为木材构造缺陷，主要包括扭转纹、应压木、应拉木、髓心、双心、树脂囊、伪心材、内含边材等。 损伤：是指受机械、火烧、鸟害和兽害等所形成的伤痕，主要包括机械损伤、烧伤、鸟害和兽害、夹皮、偏枯、树包、风折木和树脂漏等。（2）生物危害缺陷所造成的木材缺陷变色：分为三类：化学性变色、初期腐朽变色、霉菌变色、变色菌变色。蛀孔：昆虫或海生钻孔动物蛀蚀木材形成的孔道叫蛀孔。 腐朽：由于木腐菌寄生于木材后，木材结构受到破坏，材质变得松软、易碎，最终变成一种干的或湿的软块（呈纤维状、粉末状、筛孔状），这种状态称为腐朽。根据腐朽发生在树干的部位不同，可分为内腐和外腐两种。内腐又分为根腐和内部干腐。（3）加工缺陷锯割缺陷：在锯解加工过程中所造成的木材表面损伤称为木材加工缺陷三、制材生产的产品制材生产的产品锯材 锯材：原木经过锯机纵向、横向锯解加工所得到的板材或方材，又称为成材。 锯材按用途分： 通用锯材针、阔叶普通锯材和特等锯材（门、木 制品）; 专用锯材枕木、汽车材、乐器材等.制材产品的分类（一）树种和等级 1、制材产品的树种：针阔叶常用树种11种 2、等级 针阔叶树锯材分：特等、一、二、三等4个等级； 专用锯材：除普通枕木、岔枕分一、二两个等级外，其余不分等，但对材质有特殊要求。（二）锯材形状和尺寸 锯材和锯材半成品的形状有11种。 平行整边锯材：宽材面长方形。 梯形整边锯材：相对窄材面互相不平行宽材面平行的边板整边锯材。 毛边锯材：宽材面平行，窄材面有未着锯或虽着锯而钝棱超过允许限度的锯材。锯材尺寸：厚度尺寸：针、阔叶树锯材的厚度尺寸：薄板：厚度12，15，18，21mm；中板：厚度25，30，35mm;厚板：厚度40，45，50，60mm;宽度尺寸：60-300mm。（三）锯材在原木断面中的位置锯材在原木中位置和距髓心远近其材质有较明显的差异，可分为3类：髓心板：板材位于原木的髓心区，髓心区全部落在这块板上。半心板：自原木中心下锯，锯出的两块各带半个髓心的板材。边板：除髓心板、半心板外，从原木边部所得到的板材。（四）锯材常见的加工形状定义板材：宽度尺寸为厚度尺寸自二倍以上者。方材：宽度尺寸小于厚度尺寸二倍者。材面：凡经纵向锯解出的锯材，任何一面统称材面。宽材面：板方材的较宽材面。窄材面：板方材的较窄材面。端面：锯材在长度方向上的横截面。材棱：锯材相邻两材面的相交线。钝棱：锯材宽、厚度方向的材棱未着锯的部分。锐棱：锯材材边局部未着锯的部分。着锯面：在材面上显露的锯解部分。未着锯面：在材面上显露的未锯解部分。径切板：板材端面厚度与宽度中心点的年轮纹切线与宽材面夹角（径向角）自45以上者。弦切面：板材端面厚度与宽度中心点的年轮纹切线与宽材面夹角（径向角）不足45者。（五）锯材标准1、针阔叶树锯材（gb/t153-1995 ,gb/t4817-1995)(1)长度尺寸：针叶材1-8m；阔叶材1-6m。自2m以上者，0.2m进级，公差+6、-2cm； 2m以下者，0.1进级，公差+3、-1.(2)厚度（11种）：薄板12、15、18、21mm；中板25、30、35mm；厚板40、45、50、60mm(3)宽度：60-300mm 宽厚公差：自25mm以下，1mm； 25-100mm， 2mm； 100mm以上， 3mm。锯材等级：自2m以上分特等、一、二、三等，2m以下锯材不分等。2、枕木 适合于标准轨1435mm的标准（gb154-84)（略）（六）锯材后备量后备量：实际尺寸与名义尺寸之差，也称余量。1、干燥后备量 木材干燥时将发生收缩，为了保证锯材干燥后仍有足够的尺寸，在制材时要留足干缩余量，余量的多少与树种、含水率、干缩方向、锯材尺寸大小等有关。2、加工后备量 锯材干燥后要经过刨平、砂光工序，每道工序都有加工损失，因此要留加工余量。第二节 制材生产的主要设备制材设备可分为四种类型：主要工艺设备、运输设备、其他工艺设备及辅助设备。主要设备：带锯机、圆锯机、框锯机、双联及多联锯机、制材削片联合机。一、带锯机（一）带锯机的分类1、按工艺要求分类 带锯机可分为原木带锯机和再剖带锯机。 原木带锯机分为：立式的、卧式的和双联带锯。再剖带锯机分为：板皮、毛方的立式带锯机、卧式带锯机和双联带锯机。（二）带锯机的特点 优点：带锯机属单锯制材，下锯灵活，可以看材下锯，便于集中剔除木料的缺陷，提高锯材质量；可以生产特殊锯材，如径切板、弦切板；带锯条较薄，锯屑损伤少，出材率高。 缺点： 机床结构复杂，要求精度高，锯条修锉难度大。二、圆锯机（一）圆锯机的分类1、按锯解方向分：纵剖圆锯机和横截圆锯机。2、按工艺要求分：原木圆锯机、再剖圆锯机、裁边圆 锯机和截断圆锯机。3、按锯片数分：单锯片、双锯片和多锯片圆锯机。（二）圆锯机的特点 优点： 结构简单，设备价格低，安装容易，便于维修保养，带跑车圆锯机可以看材下料，灵活性高。 缺点： 稳定性差，锯材质量较差。锯解直径不宜超过50cm，另外锯片厚，因而出材率比带锯低。三、排锯排锯又称框锯机、闭锯、立据，是一种多锯条的制材设备，可用于原木剖料、毛方制板。我国排锯机通常用作第二道主锯，将跑车带锯机所剖制的毛方锯割成板材。第三节 原木的锯割工艺一、原木锯割前的准备目的：提高出材率、综合利用率和锯材的产量、质量。造材 分选 冲洗 金属探测 调头 剥皮 整形 计算机检测模拟 截断(一）造材造材：将原条或长原木截成所需规格原木的生产过程。1、造材的方法（1）以原木的长度为造材基础，以原木直径为长度的函数。符合生产上所要求的锯材长度，便于运输和堆垛。但同长度的原木径级繁多，锯解时最好再按径级分选，以便于加工 和提高出材率。（2）以原木直径为造材基础，以原木长度为直径的函数。所获得的原木符合生产上所要求的锯材厚度和宽度，能减少下锯图的变化，并能提高出材率。但同径级原木的长度规格 多，不利于运输和堆垛。2、量材、造材的原则（1）在按照国家标准和有关订货要求的规格、质量的基础上，先造特殊用材，后造一般用材；先造长材，后造短材；先造优质材，后造次等材。（2）尖削度较大的树干应造短材，尖削度小的应造长材。造材的原木小头与大头直径之比应不小于0.71。（3）弯曲原条造材时，应减少弯曲，合理截断，做到见弯取直，大弯变小，急弯一头截，缓弯中间截。（4）有木材缺陷的原条，采用缺陷分散或集中的方法进行量材、取材。3、原木的合理截断 一般情况下，原木不截断，尽量多出长材，但是当原木的尖削度和弯曲度过大时可以截断。（二）分选包括原木的挑选和区分。将原木按树种、直径、长度和等级进行区分;根据锯材规格、用途和等级挑选原木，做到材尽其用、按产供料。（三）原木冲洗和金属探测利用高压水对原木进行冲洗，以消除运输、贮存过程中粘附在原木表面的泥砂等杂物，以避免在原木锯解时损坏锯条和增加换锯次数。金属探测排除金属物，防止损伤刀具。（四）调头、原木剥皮和整形调头：下锯时是以小头端面为基准进行设计的，因此原木进车间时必须保证小头进锯。原木剥皮：除去树皮。原木整形：利用削片刀头将原木边部不规整的大兜、岔、树瘤和节疤等去掉，使原木成为规则形状，以利于下锯图的设计，利于定位和锯解。此外，将边部切削下的部分制成工艺木片，可提供木材的综合利用率。（五）计算机检测模拟现代化制材企业采用光电检测设备和计算机系统。在原木进车间加工前进行模拟锯解，找出最佳下锯方案。二、下锯法的分类和下锯图下锯法：按锯解的种类、规格，确定锯口部位和锯解顺序进行下锯。合理下锯：根据原木大小、形状、质量等条件和对锯材规格、质量等要求，按工艺设计和使用的锯解设备，在获得最大出材率和最高经济效益的前提下，合理安排锯口位置和锯解顺序，进行下锯。（一）下锯法的分类和下锯图1、下锯法的分类和特点（1）按单据数分类单据法：用单据片圆锯机、单锯条带锯机，一次锯一个锯口，依次一块一块地锯解板材、方材。组锯法：用多锯片圆锯机、多联带锯和排锯机，一次锯出数块板材或毛方。l 单锯法优缺点及适用范围：优点：可以翻转下锯，集中剔除缺陷，提高质量和出材率；能套裁下料，能生产几种不同规格锯材；带锯条锯路小，木材损耗少。缺点：锯材规格较差，要求有较高技术，生产效率低。 适用于有缺陷原木、大径级原木、珍贵材和特殊用材的生产。l 组锯法优缺点及适用范围优点：锯材规格较好，生产效率高，工艺流程短，易于机械化自动化，产品规格少，简化分选堆垛工作。缺点：不能看材下锯、套料下锯，锯路较大，出材率低。 适用于人工林原木质量均一，专业化制材厂。（2）按下锯顺序分类 分为3类：四面下锯法、三面下锯法、毛板下锯法。l 四面下锯法：在带锯机上先锯解成毛方或依次翻转下锯，在锯取四块完整板皮的同，有选择地锯取优质板方材。优点：充分利用边材优质部分生产优质材，板宽一致，整边板材多，裁边工作量较少，出材率较高。缺点：原木翻转次数较多，影响生产率。 适用于大中径各种质量的原木，生产大方、厚板、枕木订制材。l 三面下锯法：在带锯机上先锯取一块板皮或带一块板材，然后90翻转扣下依次平行下料或锯板材。优点：大带锯翻转次数少，生产效率高；部分毛料宽度大，在锯解中、小材时可利用一部分边材锯解主产品，因而方材出材率高；方便用小带锯看材小料剔除缺陷，提高锯材质量。缺点：与四面下锯法比较，三角板皮多，增加裁板工作量。 适用于大中径各种质量原木，生产奇数枕木、中方、门窗及家具材。l 毛板下锯法（两面下锯法）：原木上跑车后，依次平行锯制毛边材。优点：工艺简单，可得到最宽的板材，便于机械化自动化；适用于小径原木生产家具材、箱板材、木芯板、毛边板，利用率较高。缺点：不能剔除缺陷，材质差，生产整边材出材率低，裁边工作量大，三角板皮多。(3)特种用材下锯法 弦切板下锯法和径切板下锯法。l 弦切板：年轮和板面平行或接近平行的板材，径向角为 0-45，通常为30以内的称为弦切板。通常用作船甲板材、桶板材和装饰用材。锯解弦切板一般是沿边材部分和年轮平行下锯。如需要不大，要得到高质量的弦切板，可以采用四面下锯法带制。如需要量很大，对质量要求不高，可采用完全弦切下锯法。l 径切板：年轮和板面垂直或接近垂直，径向角为4590，通常在60以上称为径切板。一般用于重要建筑、航空、乐器、军工、体育用具等方面。径切板是通过木材髓心，沿原木的半径或直径锯制而成。径切板可用大径级原木的边材部分带制，也可以采用完全径切板下锯法进行专制。2、下锯图下锯图：原木锯解前，按锯材规格在原木小头端面上排列出的锯口制图。下锯图是下锯的指示，是制材生产的命令。 下锯图是结合原木条件下按订制任务的规格、质量和用途而制定的。下锯图的作用是能保证完成订制任务的品种和数量，同时能提高原木的出材率和木材利用率。三、制材生产主要技术指标（一）原木出材率 指生产出的锯材材积与所耗用原木材积的百分比。1、主产出材率 主产品材积包括枕木、大方材和厚板等。2、综合出材率全部锯材材积与耗用原木材积的百分比全部锯材材积是指主产品、副产品（与原木同长的中板、薄板、中方、小方），连产品（小于原木长度的中、薄板及中、小方材）、小规格材（材长为0.5-0.9m的小板材）（二）锯材质量指标1、锯材抽查合格率合格率=符合国家标准尺寸公差和材质的锯材材积/被抽查的100块锯材材积100%2、锯材质量系数 表示所锯锯材质量的优劣，反映所锯锯材与所用原木的质量关系。 原木混合进锯，一根原木同时生产各等级的锯材，实际生产的锯材质量的高低，要用锯材平均质量系数来衡量。第二章 木材干燥第一节 概述一、木材干燥的含义 （一）定义 木材干燥：在热力作用下木材中的水分以蒸发或沸腾的汽化方法由木材中排出的过程。 （二）主要内容（以常规干燥为例）动力设备（风机、电机） 热力设备（加热器、喷蒸管） 设备 检测设备（温、湿度、含水率等） 运输设备 预热处理 工艺 中间处理 终了处理 二、木材干燥的目的及意义 1、提高木材和木制品使用的稳定性，防止变形和开裂；2、提高木材的力学强度，改善木材的物理性能； 3、预防木材腐朽，延长木制品的使用寿命； 4、减轻木材的重量。三、木材干燥的基本原理l 木材干燥的基本原理： 利用木材含水率梯度、温度梯度和水蒸气压力梯度，促使水分以液态和气态两种形式连续地由木材内部向表面移动，并通过木材表面向干燥介质蒸发；内部的水分移动速度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。第二节 木材干燥的基础知识一、与干燥有关的木材性质 （一） 木材中的水分 1、木材中水分的由来 生材的水分含量树 种水 分 含 量（%）心 材边 材平 均红 松70200135臭冷杉130200165春 榆125100113色 木9090紫 椴1301302、木材中水分的状态 木材是一种复杂的含湿多孔粘弹性生物体，木材中的水分存在于木材的毛细管系统之中。根据木材中水分的存在状态，木材中水分可分为三类：自由水、吸着水和毛细管水。自由水是存在于木材的细胞腔和细胞间隙中的水分，势能较高，其性质接近于普通的液态水；吸着水是存在于细胞壁无定形区域中的水分，势能较低；毛细管水指在吸着环境的相对湿度很高时，凝结在木材细胞壁中由kelvin公式确定的毛细管系统中的水分，势能介于吸着水和自由水之间。 木材中的水分对干燥有意义的主要是自由水和吸着水。 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； 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。自由水：存在于由相互连通的细胞腔所构成的大毛细管系统内，其性质类似于自由水面的水分；吸着水：存在于由相互连通的细胞壁构成的微毛细管系统内，被吸附在纤维素、半纤维素、木素和其它组分的羟基上水蒸汽：存在于未饱和相互连通的细胞腔所构成的大毛细管中。 3、木材含水率木材中水分的含量叫做含水率（w），用水分的重量对木材重量之比的百分率（）表示。其计算公式为： w=g湿-g干g干100%（绝对含水率）w=g湿100%（相对含水率）含水率的测量方法（1）烘干法（称重法，温度为1032） （2）电测法（含水率测定仪：直流电阻式、交流 介电式、微波式、红外线式等） 烘干法在湿木材上取有代表性的含水率试片，所谓代表性就是这块试片的干湿程度与整块木材相一致，并没有夹皮、节疤、腐朽、虫蛀等缺陷。将含水率试片刮净毛刺和锯屑后，应立即称重，之后放入温度为1032的恒温箱中烘6小时左右，再取出称重，并作记录，然后再放回烘箱中继续烘干。随后每隔2小时称重并记录一次，直到两次称量的重量差不超过0.02g时，则可认为是绝干。称出绝干重后，代入公式计算即可。 木材含水率用烘干法测量木材含水率准确可靠，而且不受含水率范围的限制。但测量时需要截取试样，破坏木材，并需要一定的时间。w=g湿-g干g干100%电测法 电阻式含水率测定仪： 在一定的含水率范围内，木材的电阻率（即单位长度、单位横截面积的木材电阻）与其含水率呈线性关系。 使用电阻式含水率仪时注意事项： a、树种修正 b、温度修正:木材电阻受含水率、温度影响，当木材含水率不变化时，温度越高，木材的电阻率越小。 c、纹理方向:木材横纹电阻率是顺纹的2-3倍，故测针须垂直于木材纹理方向。 d、电极探测器及其插入深度:测针插入木材厚度的1/5-1/4，测出的读数能代表木材含水率的平均值 e、测定的含水率范围有限。精确测量范围只有6%至30%。 f、锯材厚度不易大于30mm。4、木材干湿程度的分级木材可按干湿程度分为六级： 湿 材：长期放在水内，含水率大于生材的木材； 生 材：新采伐的木材； 半干材：含水率介于生材和气干材之间的木材； 气干材：长期在大气中自然干燥，已经基本上停止蒸发 水分的木材；气干材含水率因地区而异一般在 8-20%；我国国标气干材的平均含水率为12%。 室干材：经过室干处理，含水率约为7%-15%的木材； 绝干材：含水率等于零的木材。5、木材的纤维饱和点fsp(fiber saturation point) 当自由水蒸发完毕，而吸着水处于饱和状态时木材的含水率叫纤维饱和点。一般在22-35%，平均值大约为30%。6、木材平衡含水率 当木材含水率低于纤维饱和点时，细胞壁内的微毛细管系统能从湿空气中吸收水分，这现象叫做吸湿。 水分从微毛细管系统排往空气的现象叫做解吸。 若木材含水率较高，随着时间的延续，含水率将减少，含水率最后达到并保持的数值叫解吸稳定含水率； 若木材含水率较低，随着时间的延续，含水率将增加，含水率最后达到并保持的数值叫吸湿稳定含水率。薄小木料在一定空气状态下最后达到的吸湿稳定含水率或解吸稳定含水率叫做平衡含水率emc ( equilibrium moisture content) 。 干燥木材最终的含水率为多少适宜，要根据使用地区的平衡含水率来确定。通常情况下取 %5.2-=平衡终ww吸湿滞后(sorption hysteresis)：干木材在吸湿时达到的稳定含水率，低于在同样气候条件下湿木材在解吸时的稳定含水率，此现象叫吸湿滞后，或吸收滞后（即m=m解-m吸）。 m与树种无关，随木材尺寸、干燥温度的增大而增大。 60-90时，m 2.5（多种木材的平均值） 思考：为什么会产生吸湿滞后这种现象？（二）木材的干缩、变形与密度 1、木材的干缩和变形 木材含水率在周围气候条件的影响下不断发生变化，含水率的增减将导致木材体积与尺寸的改变。干缩规律：弦向径向纵向； 衡量木材干缩的标准采用干缩系数。干缩系数是指纤维饱和点以下吸着水每减少1%的含水率所引起的干缩的数值。利用干缩系数，可以算出纤维饱和点以下和任何含水率相当的木材干缩的数值。 木材的干缩与变形 木材的不均匀干缩来自两方面: 一是构造原因(可以缓解) 二是含水率不均匀分布(可以恢复) 木材干缩的各向异性： v 次生壁各层及纤丝角度 v 木射线的作用 v 晚材率 v 细胞的排列减少木材干缩、湿胀的方法： 高温干燥、降低木材吸湿性 利用径切板 利用木芯板 机械抑制 表面涂饰油漆 充胀与改性 2、密度 密度是指单位体积的质量，木材密度是木材性质的一项重要指标。密度越大，干缩系数也越大。就干燥工艺而论，密度较大的木材较难于干燥。 （三）热学、电学性质 1、热学性质 （1）比热c：加热单位质量的木材，当温度升高1时所吸收的热量。它表示木材吸收热量的能力，单位为kj/（kg ） （2）导热系数：指在木材单位厚度上的温度降低1时单位时间内通过单位面积的热量，它反应了木材在某一方向上传递热量的能力，单位为w/（cm ） （3）导温系数a：木材在加热或冷却时，木材断面的均衡温度的能力。 a越大，在同样的外部温度条件下，物体内的温差越小，单位为m2/s 。 这些物理参数对指导木材干燥、木材防腐改性、木材软化、曲木生产工艺、人造板板坯加热预处理、胶合、纤维干燥、胶合板生产时原木解冻、木段蒸煮及单板的快速干燥等方面重要意义。2、木材的电学性质 木材的电学性质表现在两个方面，即导电性与介电性。 导电性：是衡量木材在直流或低频电流作用下的导电能力，通常以电阻率r表示，即单位面积单位长度木材所具有的电阻值。 介电性：木材在交变电场中呈现的电学变化常以介电系数表示，即以木材为电介质时所得的电容量与以同体积、同几何形状真空为电介质时所得电容量之比值。木材的介电系数随树种、含水率、电场频率、纤维方向等改变而变化。 利用木材的导电性和介电性可以进行木材干燥和含水率的测定。 介电常数：高周波式含水率测定仪 电阻率r：电阻式含水率测定仪 二、木材的干燥介质 干燥介质是指在干燥室内能够传热、传湿的媒介物质。即把热量传给木材，同时将木材排出的水汽带走的媒介物质。 主要包括：气体介质、液体介质、固体介质。 气态干燥介质主要包括(湿)空气、炉气和常压过热蒸汽三种。（一）湿空气1、湿空气的含义 湿空气是干空气和水蒸气的混合物，或是含有水蒸气的空气。 纯净的干空气由75.5氮、23.2氧、1.3氢组成。 2、湿空气的状态参数 （1）相对湿度：() 定义：每1m3湿空气中含有水蒸气的质量与同温同压下可能含有的最大水蒸气的质量之比。为0时则为干空气，为100%时则为饱和空气。 （2）湿含量（d） 定义：含有1kg干空气的湿空气中所含的水蒸气的质量。表示湿空气中含有水蒸气的多少。（3）热含量(i) 定义为:1kg干空气的湿空气中含有的热量， （4）湿空气的密度和比容 湿空气的密度：是单位体积的湿空气所具有的质量。 湿空气的比容：指在一定湿度和压力下，1kg干空气及其包含的水蒸气所占的体积。它的大小与t、d有关。（二）常压过热蒸汽常压过热蒸汽是在干燥室内形成的，一般是用加热器，在室内加热由木材中蒸发出来的水蒸气，使其过热而形成过热蒸汽。水蒸气在状态上可分为饱和蒸汽和不饱和过热蒸汽。u 1）湿饱和蒸汽（湿蒸汽）：在汽化过程中形成的水汽两相 混合物，亦即含有悬浮沸腾水滴的蒸汽，白色，雾状。（t100，=100%，1个绝对压力 ）湿饱和蒸汽是水与干饱和蒸汽的混合物。 2）干饱和蒸汽(干蒸汽)：与沸腾水处于相态平衡的蒸汽，无色，透明。 3）过热蒸汽：温度高于相同压力下饱和蒸汽的蒸汽，无色，透明。它是未饱和蒸汽，比容大于饱和蒸汽的比容，还可容纳更多的蒸汽分子。过热蒸汽干燥属于高温干燥，其特点是：l 干燥速度快，但由于干燥温度高(100-140)，只适用于干燥针叶树材和软阔叶树材中的薄木材；l 常压过热蒸汽干燥对干燥室的气密性和防腐蚀性有特殊的要求。 由于这一问题还没有解决，所以这种干燥方法至今并没有得到广泛的使用。（三）炉气 燃料燃烧产生的炽热气体称为炉气。即是煤或木材经完全燃烧所生成的由氮（n），氧（o），二氧化碳（co2）, 二氧化硫（so2）及水蒸气（h2o）等成分所组成的湿热气体（木材燃烧时，炉气成分中没有二氧化硫）。燃烧不完全时，成分中还包含有一氧化碳（co）及碳氢化合物（cnhm）。 炉气可由固体燃料（如煤和木材废料）、液体燃料（如石油）或气体燃料（如天然气和焦炉煤气）燃烧产生。v 炉气作为木材干燥介质的要求：不要有烟，要完全燃烧；炉气内不应夹杂火花和灰尘；炉气流量要稳定。v 木废料种类：树皮、锯屑、板皮、边条等； v 全干木废料发热量为：18837kj/kg；可以代替煤的作用。 v 影响因素：含水率；燃烧空气量；炉膛温度；木废料尺寸和形状；流过燃料表面的空气速度等。三、木材加热与干燥的物理基础 （一）热传递方式 1、热传导(导热) 导热：物体与直接接触面发生的热量交换现象叫导热。 2、对流传热 由于流体各部分发生相对位移引起的热量传递过程叫对流传热。 3、热辐射 以电磁波的形式传递能量的过程叫做热辐射。（二）干燥过程中木材水分的蒸发和移动 1、木材表面的水分蒸发 （1）必要条件：在对流传热传质过程中，湿物体表面的水分蒸发和周围介质状态有关，只有当水面或湿物体表面上的空气没有被水蒸汽所饱和时，即100%时才能发生。 （2）影响因素 空气的温度是影响木材水分蒸发的一个主要因素，而湿度是影响水分蒸发的制约因素。 自由水面的蒸发强度与空气流动速度有密切关系。因为水面上常具有一层薄薄的被水蒸汽所饱和的空气层，水面上的气流速度越大，薄层的厚度就越小，蒸发就越快。 2、干燥过程中木材内部水分的移动 木材干燥时水分可以顺纤维方向移动从板的两端排出，也可以横跨纤维方向移动从板的表面和侧面排出，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方向移动和排出。当含水率高于木材纤维饱和点时以液态移动为主，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。木材内部水分移动的路径 自由水移动的路径 自由水因毛细管压力差作用以液态形式沿大毛细管系统作毛细管运动。 吸着水移动的路径 微毛细管路径：吸着水因毛细管张力差作用以液态形式从直径较大的微毛细管向直径较小的微毛细管扩散。 大毛细管路径：微毛细管水经蒸发后进入大毛细管系统后，在水蒸气分压差的作用下以汽态形式扩散。 混合路径：在微毛细管系统和大毛细管系统中交替移动。3、影响水分传导的因子内因： 树种与构造：纹孔大而多，且纹孔膜上的微孔数量多、纹孔开放的树种水分移动快；一般密度小的树种水分移动快。 木材的部位：心材较边材移动慢，主要是由于心材的纹孔多闭塞，且内含侵填成分。 纹理方向：当温度高于50时，顺纹移动的速度是横纹的5-8倍；径向比弦向快20%-50 % 。 含水率：含水率越低越难干燥。 木材厚度：外因：干燥介质的温度、湿度和气流速度。（三）木材在干燥过程中的应力和变形 1、干燥过程中木材产生内应力的原因 木材构造上的各向异性； 木材断面上含水率分布不均匀。 2、应力的种类 湿应力(弹性应力) 残余应力（塑化固定） 由于含水率分布不均匀而引起板材断面上各个区域的不均匀干缩所引起的应力和变形，含水率均匀（平衡）后，应力和变形随着消失，这种应力叫湿应力，这种变形叫湿变形。 木材具有塑性，在含水率应力与变形持续的期间，在热湿作用下，木材的外层或内层发生塑化变形，使得在含水率分布均匀后，塑化变形的部分不能恢复原来的尺寸，也不能达到应当干缩的尺寸，并且保持着一部分应力。这种变形叫残余变形，这种应力叫残余应力。3、干燥过程中木材因含水率变化出现的应力与变形（1）干燥开始阶段 此阶段木材各部分的含水率都在wfsp以上，梳齿形试验片上每个齿的高度和未锯开之前的原尺寸一样。若把试验片剖为两片，每一片将保持平直状态。这些现象充分表明，此时木材内即不存在湿应力，也不存在残余应力。 （2）干燥前期阶段 此阶段中木材内层的含水率高于wfsp，外层的自由水已蒸发完毕，正在因排出吸着水而干缩。此阶段的木材是应力外拉内压阶段。 （3）干燥中间阶段 当木材干燥到这一阶段时，木材内部的含水率也低于wfsp，倘使在上一阶段中没有采取前期处理，则被干木材表面各层，早已由于失去正常的干燥条件而固定于拉伸状态。此时尽管内部的含水率还高于外部层的含水率，但内部木材干缩程度却已和外部木材塑化固定前产生的不完全的干缩相差无几，内部尺寸与外部尺寸暂时一致。因此，在此阶段内木材中的应力也暂时处于平衡状态。(4)干燥后期阶段 在此阶段，含水率已沿着木材的横断面变得相当均匀，由内到外的含水率梯度较小。如果在上阶段中没有进行中间处理，此时外层木材由于塑化变形的固定，早已停止收缩；内层木材随着吸着水的排除而收缩，但受到外层的牵制不能完全收缩。木材外部受内部的干缩趋势的影响，而产生压应力；内部受外部已塑化固定的木材牵制影响而产生拉应力。内层和外层应力的性质和干燥前期相反。即外压内拉阶段。第三节 木材的干燥方法木材的干燥方法可分为大气干燥和人工干燥两大类。大气干燥人工干燥自然大气干燥强制大气干燥传统干燥方法特种（其他）干燥方法长轴型、短轴型、侧风型端风型、喷气型、自然循环微波干燥、远红外干燥、真空干燥加压干燥、除湿干燥等（气体介质对流干燥法）一、大气干燥（气干）大气干燥分为自然气干和强制气干两种。 自然气干：把木材按照一定的方式堆放在空旷的板院或棚舍内，由自然空气流过材堆，使木材内水分逐步排出，以达到干燥的目的。 强制气干：在板院或棚舍内用通风机提供1m/s左右的风速来缩短干燥时间的方法。特点： 1、生产方式简单，不需要太多的干燥设备，节约能源； 2、占地面积大，干燥时间长，干燥过程不能人为地控 制，受地区、季节、气候等条件的影响； 3、终含水率较高(10-20%，与当地的平衡含水率相适应) 在干燥期间易产生虫蛀、腐朽，变色，开裂等缺陷。 林业行业标准锯材气干工艺规程（ly/t1069-02）中对板院的技术条件、锯材堆积过程、气干过程的管理等内容有详细说明。 二、人工干燥特点：采用适当的干燥设备，干燥过程可人为控制，干燥周期比大气干燥短，干燥过程不受地区、季节与气候的影响，干燥的最终含水率可根据需要人为控制，可保证木材的干燥质量。（一）常规干燥方法常规干燥：是长期以来使用最普遍的一种木材干燥方法，这种传统干燥方法就是把木材置于几种特定结构的干燥室中进行干燥的处理过程。其主要特点是以常压湿空气作为传热介质，传热方式以对流传热为主。热媒有蒸汽、热水、炉气或热油等，以蒸汽为热媒的干燥室最多，一般简称蒸汽干燥。干燥介质温度在100以下。干燥过程待干木材用隔条隔开，堆积于干燥室内，干燥室装有风机，风机使空气流经加热器，升高温度，经加热的空气再流经材堆，把热量部分地传给木材，并带走从木材表面蒸发的水分，吸湿后的部分空气通过排气口排出，同时，相同质量流量的新鲜空气又进入干燥室，再与干燥室内的空气混和，成为温度和湿度都较低的混和空气，该混合空气再流经加热器升温，如此反复循环，达到干燥木材的目的