木材干燥学 第二章 与木材干燥有关的木材性质课件

第二章与木材干燥有关的木材性质

2.1木材构造特征

2.1.1木材解剖特征对干燥的影响

木材中的水分要顺利地向外移动，木材内部就必须有水分移动的通道，即细胞腔、纹孔、细胞间隙及细胞壁内的微毛细管等。这些通道若呈开放状态，则木材容易干燥；反之，木材难干。所以说，木材解剖分子的状态及特征对木材干燥时间的长短和干燥工艺的制定起着决定性的作用。

木材某些构造特征，会使木材干燥过程中产生一些缺陷。如早材与晚材变化为急变的木材，干燥过程中在早材与晚材的交界处易产生环裂；木射线含量多的树种，特别是具有宽木射线的木材，干燥时易产生径裂。阔叶树材，由于边材中含有侵填体的导管较少，多数导管呈开放状态，边材导水性较好；心材中多数导管内含有侵填体，使导管腔部分或全部被堵塞，心材导水性较差。因此，在干燥过程中心材和边材产生不均匀的收缩应力，使木材在边材和心材的交界处发生皱缩，特别是小径木木材干燥时，易产生皱缩缺陷。2.2木材与水分2.2.1木材中的水分由来2.2.2木材的含水率及测定（1）木材的含水率木材中的水分含量多少通常用含水率或含水量（Moisturecontent，简称MC）来表示，即用木材中水分的质量与木材质量之比的百分数的方式表示。根据计算基准的不同分为绝对含水率和相对含水率两种。木材干燥生产中一般采用绝对含水率（MC），即木材中水分的质量占木材绝干质量的百分率。

绝对含水率（MC）即木材中水分的质量占木材绝干质量的百分率。其计算公式如下：

式中，G湿是湿木材的质量/g；G干是绝干木材的质量/g。

（2）木材干湿程度的分级湿材：长期浸泡于水中、含水率大于生材的木材，如水运、水贮过程中的木材。生材：和新采伐的木材含水率基本一致的木材。半干材：含水率小于生材、相当于纤维饱和点的木材，一般在

22%~35%的含水率范围内。气干材：长期贮存于大气中，与大气的相对湿度趋于平衡的木材。其含水率取决于周围环境的温度和相对湿度，一般在8%~20%之间，我国国标把气干材平均含水率定为12％。室干材：木材在干燥室内，以适当的温度和相对湿度条件进行干燥，含水率约为7~15%的木材，通常根据木材使用区域、场合及用途等而定。绝干材：含水率为零的木材称为绝干材或全干材。②电测法

即利用木材的电学性质如电阻率、介电常数等与木材含水率之间的关系，来测定木材的含水率。电测法木材含水率仪主要有两类：1类是直流电阻式，利用木材中所含水分的多少对直流电阻的影响，来测定木材的含水率;另1类为交流介电式，即根据交变电流的功率损耗与木材含水率的关系而设计的含水率仪。结构简单、生产上用得最广的是直流电阻式。这种含水率仪实质上是一种兆欧表，其动作原理是在相当大的范围内，木材的电阻率随其含水率的变化而变化，且在室温下，在6%-30%的含水率范围内，木材电阻率的对数与木材含水率呈直线关系。所以只要用兆欧表测得木材的电阻值，就可知道含水率之值。制造公司已经过换算，把含水率数值直接显示在表面上。含水率生材FSP状态EMC状态全干状态

(25~30%以上)

(15%前后)(0%)结合水饱和状态饱和状态平衡状态

极少自由水有极少没有没有细胞壁细胞腔结合水干燥自由水含水率生材FSP状态EMC状态全干状态

(25~30%以上)

(15%前后)(0%)结合水饱和状态饱和状态平衡状态

极少自由水有极少没有没有细胞壁细胞腔结合水干燥自由水2.2.4木材的吸湿与解吸

木材含水率在纤维饱和点以下，周围空气状态（温度、相对湿度）发生变化时，木材细胞壁中的吸着水含量也相应地变化。周围空气相对湿度较低，细胞壁中水蒸气分压比空气中的大，水分由木材向空气中蒸发，使吸着水含量减少，此现象叫解吸(Desorption)。解吸过程初期，木材的水分蒸发很强烈，即吸着水下降很快；随着时间的延续，解吸过程逐渐缓慢，最后达到动态平衡或稳定，此时木材的含水率叫解吸稳定含水率。周围空气相对湿度较高，水蒸气从空气向木材细胞壁中渗透，即木材从空气中吸湿，使吸着水含量增加，此现象叫吸湿或吸着(Adsorption)。木材含水率在吸湿过程中达到的稳定值叫吸湿稳定含水率。吸湿滞后现象：

在相同的温湿度条件下，由吸湿过程达到的木材的平衡含水率低于由解吸过程达到的平衡含水率。一般吸湿滞后数值的变异范围在1%~5%之间，平均值为2.5%。细碎或薄木料(如刨花、单板、薄木等)吸湿滞后很小，平均仅约为0.2%，可忽略不计。

吸湿滞后受树种、空气温度、湿度、干燥过程等因素的影响，受热温度越高且时间越长，木材的吸湿性下降越明显。2.1.2.5木材的平衡含水率（1）木材的平衡含水率2.2.5木材的平衡含水率（1）木材的平衡含水率

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（Equilibriummoisturecontent，简称EMC）。

木材平衡含水率随着周围空气的温度和相对湿度的改变而变化。一定的空气压力下，温度升高，水分子的势能增加，容易脱离木材分子的束缚而蒸发，平衡含水率降低，但变化不大；一定的温度条件下，平衡含水率随空气相对湿度升高显著增大。当相对湿度升高到100%时，平衡含水率达到最大值，此时的平衡含水率也叫纤维饱和点。在实际生产中，可以根据空气的温、湿度（p14的表2-4）来查出木材的平衡含水率。

气干锯材的平衡含水率可粗略地认为：

室干材吸湿滞后数值较大，干燥期间介质温度越高，干锯材吸湿滞后的数值越大。木材干燥过程最终含水率通常情况下取：

：

*概念区别：吸湿和吸收：要分清两个概念，即吸收和吸着。吸收是一种表面现象，比如液态水进入木材的细胞腔，成为木材中的自由水的过程；对于木材的吸湿过程，则是水分子以气态形式进入细胞壁，与细胞壁主成分上的吸着点产生氢键结合的过程。

解析和干燥：是两个不同的概念，解吸仅指木材细胞壁中吸着水的排除，而干燥则是自由水和吸着水二者的排除。

木材平衡含水率在木材加工利用上很有实用意义。木材在制成木制品之前，必须干燥到一定的终了含水率MC终，此终了含水率必须与木制品使用地点的平衡含水率相适应。即符合下式:(M衡-2.5%)<M终<M衡。如使用地点的平衡含水率为15%，则干燥的终了含水率以13%较为适宜。在这样的含水率条件下，木制品的含水率能基本保持稳定，从而其尺寸和形状也基本保持稳定。

按气候资料查定的木材平衡含水率可作为确定干燥锯材最终含水率的依据。含水率在纤维饱和点以上：大毛细管内存在着自由水和水蒸气，细胞壁处于饱湿状态，细胞壁内没有含水率梯度，不存在扩散引起水分移动。细胞腔内自由水因被水蒸气所饱和而不蒸发，腔内水蒸气也不移动。只有在含有自由水的毛细管的两端存在压力差即毛细管张力的情况下，自由水才移动。含水率在纤维饱和点以下：木材内水分移动有细胞壁内结合水移动和细胞腔内水蒸气移动，此时水分靠含水率梯度的扩散作用而移动。针、阔叶树材中水分移动的主要路径不同：

针叶树材中水分的移动路径主要是由管胞内腔和具缘纹孔对组成的毛细管体系，另外在沿着纤维方向上垂直树脂道，射线方向上射线管胞内腔和水平树脂道也是水分的移动路径。

阔叶树材中水分的移动路径主要是导管，还包括管胞、导管状管胞等。（2）木材中水分移动的机理①依靠毛细管张力的毛细管水移动基于毛细管中弯液面的表面张力差而进行的。在毛细管系统中，细的毛细管则从粗的毛细管中吸取水分。②靠扩散进行的水蒸汽的移动只能在木材内充满空气的孔隙内进行。湿木材空隙内扩散的水蒸气从润湿的空隙壁的蒸汽压高的一侧蒸发,在空隙内移动,又重新在蒸汽压低的一侧凝结成水。③靠表面扩散进行的结合水的移动吸附于木材中的结合水得到能量时，可从吸附表面解吸，而产生移动；如果得到的能量不足以完全解吸时，则发生结合水沿着吸附面滑移的现象。这种分子由于浓度梯度或温度梯度的作用,向着规定的横向滑移，称为表面扩散。这种被活化了的表面扩散，对于在纤维饱和点以下木材的水分移动是一个主要因素。④木材含水率

木材干缩和湿胀过程中，细胞腔内径几乎保持不变，只是细胞壁厚度有变化，干缩会引起纹孔膜上微孔的扩大。当含水率降低时，水分以液态在毛细管张力作用下沿着微毛细管移动的效率会减低，水分以汽态沿相邻细胞腔、纹孔腔及纹孔膜微孔组成的大毛细管向木材表面扩散的效率增加。木材含水率从5%变化到纤维饱和点时，木材水分移动没有明显的变化。⑤温度温度升高可提高水蒸气扩散强度和降低液态水粘度，在木材中沿移动途径的水分移动均随温度升高而急剧地增加。与环孔阔叶树材相比，散孔阔叶树材和针叶树材的水分移动会随着温度的升高而增加地更加剧烈。2.3木材的密度

木材密度是指单位体积的木材的质量，单位为g/cm3或kg/m3。木材性质的一项重要指标，直接影响到木材的物理、力学等性质。密度越大，干缩系数也越大；就干燥工艺而言，密度较大的木材较难于干燥。常用的木材密度可以分为气干密度、绝干密度和基本密度。①气干材密度：是木材含水率为12％时的质量与体积之比。②绝干材密度：木材的绝干材密度是绝干状态下木材的质量与其体积之比③基本密度（公定密度）：是木材试样绝干重与试样饱和水分时的体积之比。

最常用的是气干密度和基本密度。绝干密度多用于基础理论研究，而在生产上多采用木材气干密度我国常用树种的木材密度、干缩系数及干燥特性见表2-5（p16）所示。木材的密度测定方法见有关标准和教材有关章节，

2.4木材的干缩与湿胀2.4.1木材的干缩湿胀现象木材的干缩湿胀是指木材在绝干状态至纤维饱和点的含水率区域内，水分的解吸或吸湿使木材细胞壁产生其尺寸缩减或增大、最终导致木材整体尺寸变化的现象。在木材的干缩湿胀过程中，尺寸的变化主要是体现在木材的细胞壁上，而木材细胞腔的尺寸是几乎保持不变。2.4.3木材干缩湿胀的各向异性木材沿着年轮切线方向的干缩称为弦向干缩；沿着树干半径方向或木射线方向的干缩称为径向干缩；整块木材由湿材状态到绝干状态时体积的干缩称为体积干缩。体积干缩在数值上近似为纵向、弦向、径向干缩之和，由于纵向干缩极小，所以体积干缩也可以用径向干缩与弦向干缩的和进行估算。

木材的各向异性主要反映在横向、径向、弦向三个切面上。木材构造上各向异性，使其在不同方向上干缩与湿胀也存在着明显不同。木材干缩湿胀各向异性是指木材干缩与湿胀在不同方向上的差异。

对大多数树种，体积干缩率为8.9%～26.0%；顺纹(（纵向）方向干缩率最小，一般为0.1%～0.3%；而弦向最大，一般为6%～12%，径向干缩率的范围则为3%～6%。木材的顺纹方向、径向、弦向收缩率之比大约为0.5～1:5:10。在木材横切面上，随温度上升（16～105℃），干缩湿胀各向异性度增大。随木材密度增大，干缩湿胀各向异性度呈曲线下降，最终趋近于1；针叶材各向异性度下降程度比阔叶材显著。

边材干缩率大于心材，早材纵向收缩率大于晚材，幼龄材和应力木中纵向干缩率可能会较大。2.4.3木材干缩湿胀变化计算木材的干缩率和湿胀率可以用尺寸（体积）变化与原尺寸（体积）的百分率表示：有关木材干缩率与湿胀率的测定已列入国家标准，分别为GB1932－91和GB1934.2－91。干缩系数K(%)

：在纤维饱和点以下，木材含水率每减少1%所引起的干缩的数值（%）。分弦向干缩系数KT

（%）

、径向干缩系数Kp（%）和体积干缩系数K体（%）

。

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率(%)的数值。计算公式：

YMC

=K(30–MC)%

对于断面不大的方材，断面上的生长轮近似平行直线，它与锯口成α角，方材宽度或厚度干缩Yα可用下式确定：

Yα=YP

+(YT

-YP

)cos2α式中：α——生长轮的切线与木材宽度或厚度方向的斜角；

YP

——径向干缩率；

YT——弦向干缩率。由上式可知，当α=0时，Yα=YP

+YT

-YP

=YT

，即宽度为弦向；当α=90º时，Yα=YP

+0=YP，则为径向。

利用上述公式可计算木材加工过程应留木材干缩余量。木材变形、开裂原因多方面，如何判断木材变形、开裂的难易程度，通常采用木材的差异干缩率(CS)来进行判断。

差异干缩率用弦向干缩率与径向干缩率之比表示，即：CS

＝YT

/YP

差异干缩率值愈大，木材愈易变形、开裂；当比值接近1时，表明木材弦向干缩与径向干缩一致，木材干燥过程中，是均匀的干缩，不会变形、开裂。[例1]水曲柳抽斗面板成品厚度为20mm，成品含水率为10%，求湿材下锯板材厚度应为多少?解：

水曲柳的径向干缩系数0.184%，弦向0.338%(可由相关资料查出)。为保证尺寸，用弦向干缩系数计算。

由湿材到10%的干缩率：

YMC=KT(30-MC)=0.338%×(30-10)=6.76%。

设板材刨削余量为3mm，则刨削前干板厚度为：

B0=20+3=23(mm)

湿板厚度应为：

Bmax=B0/(1-YMC)=23÷(1-0.0676)=24.7(mm)[例2]一块含水率为60%，长4000mm，宽150mm，厚40mm的红松木板，厚度方向为径向；问：用木材干燥室进行人工干燥，含水率达到8%时，这块木板的宽度和厚度是多少？[解]由相关资料查出：红松干缩系数KT=0.321%，Kp=0.122%。已知：板材原宽B=150mm，原厚H=40mm，MC=8%；宽度为弦向T方向，厚度为径向P方向。则：径向干缩率YP=KP(30-MC)=0.122%×(30-8)=2.684%

据干缩率定义YP={(H-H8)/H}×100%可得：

所求厚度H8=(100-2.684)×40/100=38.92(mm)

弦向干缩率YT=0.321%×(30-8)=7.062%

所求宽度B8=(100-7.062)×150/100≒139.407(mm)

理论上讲，木材的干缩只有含水率降到纤维饱和点以下才发生。但实际生产上发现，当锯材含水率远高于纤维饱和点时，干缩就已发生。这主要由于锯材干燥时，厚度方向上有较大的含水率梯度，当锯材平均含水率远高于纤维饱和点时，其表层含水率早已降到纤维饱和点以下，发生了干缩。从而使整块锯材产生少量的干缩。另外，干缩系数实际上也不是常数，当含水率较高时，干缩系数较小;含水率较低时，干缩系数一般较大。2.5木材的黏弹性

木材黏弹性主要研究木材应力与变形有关的性质及其影响因素，它包括木材的应力与应变、弹塑性、流变性（蠕变、松弛）等。

2.5.1木材的应力和应变木材受外力作用，所处条件使其不能产生惯性移动时，在单位长度上尺寸或形状的变化称为应变。应变分为正应变ε或剪应变γ。正应变＞0时称为拉伸应变，＜0时被称为压缩应变。应变为无量纲单位，也可用其百分值（%）表示。

应力是指木材在外力作用下单位面积上的内力，其值与单位面积上所受的外力相等。

这个内力是木材受到外力作用时具有形变的趋势，其内部各成分间及成分内各分子间相对位置和距离会发生变化，产生相应的抵抗外力所致变形作用的力，成为内力，并力图恢复到变化前状态；达到平衡状态时，内力与外力大小相等，方向相反。

*影响木材应变的主要因素：自身的密度、管胞或纤维细胞壁微纤丝的角度以及恒定或变化的环境因素(大气温度、相对湿度)等。还取决于时间因素，长时间处于应力状态或短暂时间的受力，应变大小不同；在较小应力和较短时间里，木材性能十分接近于弹性材料，反之则近似于黏弹性材料。2.5.2木材的弹性与塑性（1）木材的弹性当木材受到的外力在弹性极限以下时，所产生的变形在外力解除后便完全消失，这种变形称为弹性变形。木材所具有的这种在外力解除后能完全恢复到原来形状和尺寸的性质，称为木材的弹性。木材在比例极限内，应力和应变的关系服从虎克定律，即应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量。弹性模量（E）=应力（σ）/应变（ε）

木材弹性模量是木材发生单位应变时的应力，它表征木材抵抗变形能力的大小。木材的弹性模量随它的密度、含水率和温度、微观结构的变异、纹理的角度、节疤的大小与部位等的变化而异。（2）木材的塑性当木材受到的应力超过弹性极限时，应变并不随应力成比例增加，而是应变迅速增大，即使应力不再增大，应变也能增加；木材的应力不变而变形继续的性质称为塑性。木材的塑性变形是指当外力去除后，也不能恢复到原状的永久变形。木材塑性变形是由于微纤丝内应力过大造成破坏，引起共价键断裂，细胞壁壁层的变形使细胞间出现永久性微细开裂。因此，塑性变形实际上是分子结构的变形和相互间相对相对移动的结果。（3）木材的黏弹性长期载荷下，变形随时间而连续增加的性质即为木材的黏弹性。木材的蠕变

恒定应力下木材的应变随时间延长而增加的现象称为木材的蠕变。温度对蠕变有显著的影响，当空气的温度和湿度增加时，木材的总变形及变形的速度也增加。②木材的松弛木材的应力松弛是木材承受静荷载后，在应变为常数的情况下，应力损失的速度。木材的蠕变和松弛的区别在于，蠕变是应力保持不变，应变随时间而变化；松弛则为应变不变，应力随时间变化。2.6木材的热学性质2.6.1木材的比热木材的比热是指单位质量的木材试样平均温度变化1℃所吸收或放出的热量，通常用符号C来表示，单位为kJ/(kg·K)。木材是有机多孔性材料，比热比金属材料大，但小于水（水的比热为4.21kJ/kg·K）。我国红松、水曲柳等33种气干材的平均比热为1.71kJ/(kg·K)，最大为1.89kJ/(kg·K)，最小为1.55kJ/(kg·K)。木材的比热受温度和含水率影响，与树种、木材密度以及木材试样在树干中的位置等因子关系不大。绝干材比热随温度升高增大，湿木材(含水木材)比热随含水率增加而增大。2.6.2木材的导热系数

导热系数表征物体以传导方式传递热量的能力。导热系数基本定义为：以在物体两个平行的相对面之间的距离为单位，温度差恒定为1K时，单位时间内通过单位面积的热量。单位为W/(m·K)或kcal/m•h•℃

。影响木材导热系数的主要因素：①木材密度；②含水率；③温度；④热流方向。2.6.3

木材的导温系数

导温系数又称热扩散率。是表征木材在冷却或加热的非稳定状态过程中，内部各点温度趋于一致的能力(即各点达到同一温度的速度)。导温系数越大，则各点达到同一温度的速度就越快。导温系数通常用符号a来表示，其单位为m2/s。木材的导温系数在一定程度上也要受到密度、含水率、温度和热流方向等因子的影响。2.6.4热对木材性质的影响木材在受热条件下，其物理力学性质会发生不同程度的改变或劣化，主要原因在于木材的结晶结构和化学组分在受热后会发生改变。在一定温度下进行木材热处理时，在适当的时间阶段内可发生非结晶纤维素中部分结晶化效应，导致木材吸湿性降低，弹性模量提高；如继续延长热处理时间，就会造成木材化学成分的热分解，导致木材力学性质降低。适当温度、时间条件下的水煮或汽蒸处理，可以起到释放内部应力、降低吸湿性、固定木材变形的作用，因此在生产实践中常被用于木材的软化、干燥过程中的阶段性处理、压密化木材的变形固定等。2.7木材的电学性质

木材的电学性质泛指木材在直流电场和交变电场作用下所呈现的材料特性，包括木材在直流电场中的导电性、在交流电场中的介电性、及由外力作用引起压电效应、热电效应等。2.7.1木材的导电性质指在直流电下木材电阻、电导变化。木材电阻用电阻率来表示，电阻率为木材单位截面积及单位长度上的电阻值，单位为Ω·m，电阻率越大则木材导电能力越弱。

木材电导则用电导率来表示，电导率为电阻率的倒数，单位为Ω-1·m-1，电导率越大，则说明木材导电能力越强。

绝干木材电阻率为1014～1016Ω·m，属电绝缘