木材学与木材干燥学(木材科学导论)

1、木材学与木材干燥学,Wood Science and Wood Drying,主讲教师：席恩华,-献给木材科学与工程专业12级全体同学,木材学课程学习内容,木材学的研究内容,国际木材科学学会(IAWS)确定了广义的木材科学：指木质化天然材料及其制品的生物学、化学和物理性质,以及生产、加工工艺的科学依据。,木材学的狭义范畴是以木材为对象的材料科学,为基础学科,包括木材结构,木材性质(化学、物理、力学),木材缺陷和木材的功能性改良理论等内容。,木材学大体可分为两方面即生态木材学与木材利用学。前者指导营林,揭示木材生长与立地环境之规律。后者指导木材的利用。具体说来可分为以下学科:木材植物学、木材解剖

2、学、木材物理学、木材力学、木材改性与保存、木材加工与利用等。,一切能够提供木质部成分或植物纤维以供利用的天然物质统称为木质资源材料,如木材、竹材、藤材、灌木的根茎、各种作物秸秆（如稻秸、麦秸、麻秆、棉秆、芦苇秆、玉米秆、高梁秆、甘蔗渣）等.其中木材以其独特的材料性能以及优良的环境学特性深受人们喜爱,广泛被用于人类的生产生活环境当中,发挥着重要的作用。,什么是木质资源材料？,树木的躯干及较粗大枝条的次生木质部(secondary xylem)，由形成层(cambium)分生所形成。,什么是木材？,一、树木的生长与木材的生成,Growth of Tree (2)树种 ； (3) 立地条件； (4)

3、树龄；,木材中水分的存在位置和分类,化学水 木材中的水分 液态水 自由水 腔内水蒸气 吸着水吸附水 24% 微毛细管水 6%,化学水: 与细胞壁组成物质呈化学结合。 自由水(free water), 存在于细胞腔、细胞间隙和纹孔腔这类大毛细管细胞中, 这部分水容易由木材释出, 也容易吸入，液态水。 吸着水（胞壁水、束缚水） (bound water, hygroscopic water, adsorptive water),木材的视觉特性,木材的触觉特性,木材的湿度调节,木材空间声学性质,木材的生物体调节特性,七、木材的环境学特性,七、木材的环境学特性,木材的视觉特性:由木材表面视觉物理量与视

4、觉心理量来描述，它们主要由木材的材色、光泽度、图案纹理等物理量参数以及与人类视觉相关并可定量表征的心理量组成。 木材给人以冷暖感、粗滑感、软硬感、干湿感、轻重感等，一般常以冷暖感、粗滑感、软硬感综合评价某种物体的触觉特性。木材的触觉特性与木材的组织构造，不同树种的木材，其触觉特性也不相同。 木材的空间声学特性，是指木材(或木质材料)作为建筑内装材料或特殊用途材料时，对室内空间声学效果(建筑声学、音乐声学)以及对房屋之间隔音效果的影响、调整作用。它与木材的吸音、反射、透射特性和声阻抗等物理参数有关。木材的声阻抗居于空气和其它固体材料之间，较空气高而比金属等其它建筑材料低。,八、木材的力学性质,木

5、材密度的影响 含水率的影响 温度的影响 长期荷载的影响 纹理方向及超微构造的影响 缺陷的影响,木材力学性质的影响因素,木材干燥学课程主要内容,1 木材干燥基础知识,4 木材室干工艺,2 木材干燥的测量技术,3 常规蒸汽干燥设备,5 特种（其它）干燥设备,1 绪论,1.1 木材干燥的含义 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。 1.1.2 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,1.3 木材的干燥方法 自然大气干燥 大气干燥 强制

6、大气干燥 传统干燥方法 长轴型、短轴型、侧风型 人工干燥 (气体介质对流干燥法) 端风型、喷气型、自然循环 特种(其它)干燥方法 微波干燥、远红外干燥、真空干燥 加压干燥、除湿干燥等,1.2 木材干燥的目的及意义 提高木材和木制品使用的稳定性，防止变形和开裂； 提高木材的力学强度，改善木材的物理性能； 预防木材腐朽，延长木制品的使用寿命； 减轻木材的重量。,1.3.2 人工干燥 1.3.2.1传统(常规)干燥方法 特点：以湿空气作为传热介质；传热方式以对流传热为主。 a.长轴型干燥室 1.排气管 2.电动机 3.疏水器 4.通风机 5.进气道 6.加热器 7.喷蒸管 8.材堆 9排气道,b.短

7、轴型干燥室 1.风机 2.加热器 3.进排气道 4.喷蒸管 5.电机 6.挡风板,c.侧风型干燥室,1.风机 2.加热器 3.测试孔 4.称重装置 5.操纵柄 6.进气口 7.挡风板 8.排气口 9.排气道 10.电机 11.喷蒸管 12.挡风板,d.端风型干燥室,1.大门 2.通风机 3.进、排气道 4.操纵柄 5.疏水器 6.长轴 7.加热器 8.测试口 9.喷蒸管,1.电机 2.风机 3.喷气道 4.加热器 5.喷蒸管 6.材堆 7.轨道 8.回气道,e.喷气型干燥室,原理：它是以湿木材作为电介质。置于微波电磁场中，在微波电磁场的作用下引起木材中水分子的极化，由于电磁场的频繁交变，使被极

8、化了水分子高速频繁地转动，水分子之间发生摩擦而产生热量，从而加热和干燥木材。,1.3.2.2 常压过热蒸汽干燥方法 特点：干燥速度快； 只适用于干燥针叶树材和 软阔叶树材中的薄木材。 (干燥温度高，100140),1.3.2.3 微波干燥方法,特点：内外同时加热，加热均匀干燥速度快，周期短，干燥质量好， 能保持木材的天然色泽，有利于连续自动化生产； 以电为能源，成本高，设备性能不完善； 对于贵重树种及高档木材，以及在常规干燥中降等、报废率大 的难干材，适合用微波干燥方法干燥（初步试验证明）。,1.3.2.4 远红外线木材干燥方法 原理：木材在远红外线的照射下，木材分子能吸收(一定波长)红外线的

9、辐射能产生共振现象，引起分子和原子的振动和转动，从而将电磁能转化为热能来加热木材，以达到干燥木材的目的。 特点：远红线外穿透能力低，只适合干燥薄板。 （1991年全国第三次木材干燥学术讨论会指出电热远红外干燥成材，干燥质量差，电耗大，容易引起火灾，不宜再建此类干燥窑。）,1.3.2.5 真空干燥方法,原理：一个大气压下水的沸点为100，当压力小于一个大气压时，水的沸点则小于100；另外，木材表面水分的蒸发速度比木材内部水分的移动速度快1001000倍。要加快木材干燥速度，必须想办法加快木材内部水分的移动速度。研究表明：当温度为40，在压力为60mmHg时，木材内的水分移动速度大约是压力为760

10、mmHg时的5倍。根据上述原理，将木材置于密闭的干燥容器内，一方面提高木材的温度，另一方面降低容器内的压力，使木材中水分在比较低的温度下就开始汽化与蒸发，从而达到干燥木材的目的。 特点：干燥周期短，干燥质量好； 能耗较高，容器的容积较小,设备及干燥过程的控制较为复杂； 适合于透气性好的硬阔叶材厚板或易皱缩的木材。,1.3.2.6 加压干燥方法 原理：此法是将木材置于密闭的干燥容器内，一方面提高木材的温度，另一方面提高容器材内的压力，特点是在高温条件下能够保持较高的平衡含水率，不易导致较大的含水率梯度和应力，使木材中水分在较高的温度下汽化与蒸发，从而达到干燥的目的。,特点：干燥质量好，周期短，能

11、耗较少； 成材加压干燥后颜色变暗，在节子周围会出现较大裂纹； 容器的容积较小，生产量不大。 此种干燥方法的设备腐蚀问题，干燥工艺、干燥基准，有待进一步研究。,1.3.2.7 除湿干燥方法 原理：它与传统干燥方法的原理基本相同，所不同的是传统干燥方法是通过换气的方法排除从木材中蒸发了来的水蒸汽；而除湿干燥方法则是通过专用设备除湿器冷凝的方法，排除从木材中蒸发出来的水蒸汽，即湿空气是在封闭系统内作“冷凝加热干燥”往复循环。 特点：能够回收水蒸汽的汽化潜热，从理论上没有热量的损失，是一种节能的干燥方法； 但干燥周期较长，是一种非常有发展前干燥方法。,原理图如下：,左图为单热源除湿干燥机：1.压缩机

12、2.除湿蒸发器 3.膨胀阀 4.冷凝器 5.湿空气 6.脱湿后的干空气 7.送干燥室的热风 8.电加热器 9.干燥室风机 10.材堆 右图为双热源除湿干燥机：1.压缩机 2.除湿蒸发器 3.膨胀阀 4.冷凝器 5.湿空气 6.脱湿后的干空气 7.送干燥室的热风 8.热泵蒸发器 9.外界环境空气 10.排出的冷空气 11.单向阀,1.3.2.8 液体干燥方法 把湿木材放在嫌水性液体中，提高液体的温度，使液体的温度高于100，用这种嫌水性液体加热木材，使木材中的水分汽化和蒸发。这种液体的特点是，即不溶于水，也不能与水混合。常用的嫌水液体有：石蜡油等。,1.3.2.9 太阳能木材干燥方法 此法最大特

13、点就是节省能源，但干燥周期较长，而且受地区、季节和气候等条件的影响。所以，这种干燥方法的使用有一定的局限性。,2.1 与干燥有关的木材性质 木材中的水分(对干燥有意义的主要是自由水和吸着水) 木材的干缩、变形与密度 热学、电学性质 2.2 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。 气态干燥介质主要包括(湿)空气、炉气和常压过热蒸汽这三种。 2.3木材加热与干燥的物理基础 对流加热的基本规律与加热过程的计算 干燥过程中木材水分的蒸发和移动 木材在气态介质中的对流干燥过程 木材在干燥过程中的应力和变形,2 木材干燥基础知

14、识,3 木材干燥的测量技术,3.1温度、相对湿度、气流速度及平衡含水率的测量,温、湿度检测装置,平衡含水率检测装置,含水率测定仪 （电阻式）,3.2木材含水率、分层含水率及干燥应力的测量,含水率测定仪 （高周波式）,常规蒸汽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。其主要特点是以湿空气作为传热介质，传热方式以对流传热为主。,4 常规蒸汽干燥设备,叉车式装窑原理图,实景图,轨道式装窑实景图,4.2干燥室的分类 4.2.1按照作业方式分类 周期式干燥室 连续式干燥室 4.2.2按照干燥介质的种类分类 空气干燥室 炉气干燥室

15、过热蒸汽干燥室 4.2.3按照干燥介质的循环特性分类 自然循环干燥室 强制循环干燥室,端风型实景,东莞恒生木业,加热器结构 及安装实景,控制器,控制室管路系统,耐高温导线,电磁阀,电动阀,壳体结构和建筑,砖混结构窑体及建筑,金属装配式窑体 通常的做法是，先用混凝土做基础和面，然后在基础上安装用合金铝型材预制的框架，可用现场焊接或用不锈钢螺钉联接。再安装预制的壁板和顶板及设备。预制板由内壁平板、外壁瓦楞板和中间保温板（或毡）组成，可以是一块整板，也可以不是整板，于现场先装内壁板，然后装保温板，最后装瓦楞面板。预制壁板也可采用彩塑钢板灌注耐高温聚氨酯泡沫塑料做成。,这种窑的做法是先在基础圈梁上安装

16、型钢框架，然后用1.2mm厚的防锈铝板现场焊接成全封闭的内壳，并与框架联接。内壁做完后再砌砖外墙壳体，并填灌膨胀珍珠岩或硅石板保温材料。铝内壁窑施工难度大，对焊接技术要求高，只适用于中、小型窑。,砖混结构铝内壁窑,大门 干燥室的大门要求有较好的保温和气密性能，还应能耐腐蚀、不透水及开关操作灵活、轻便、安全、可靠。大门的型式归纳起来有5种类型，即单扇或双扇铰链门、多扇折叠门、多扇吊拉门、单扇吊挂门和单扇升降门。,进排气装置 进排气道用铝材做成，配有电动执行机构控制其开关，关闭时达到气密良好。,5 木材室干工艺,5.1锯材的堆积 一般干燥室都采用水平纵向堆积，根据气流循环速度的不同，其堆积方式有三

17、种。,板材之间不留空隙的密集排列； 板材之间留有空隙； 在材堆中央部分留出较大的空隙，适用于弱强制循环或自然循环。,干燥室堆积法,5.2 隔条 隔条作用 使干燥介质能在每一层板材之间自由流通，以便将热量传给板材，同时把从板材中蒸发出来的水分带走； 使材堆在宽度方向上稳定； 使材堆中的各层板材夹紧，防止和减轻翅曲变形，也能起到稳定材堆的作用。 生产上经常使用的隔条，其宽度为3545cm，厚度为2025cm，用材质较好的硬杂木制作。,5.3干燥基准 干燥基准：在干燥过程中，按照不同的干燥阶段调节干燥室内介质的温度与湿度的参数表。,干燥基准的分类 时间干燥基准 根据被干木材的干燥时间来划分阶段，以调

18、节干燥介质的温度和湿度的基准表，叫做时间干燥基准。 含水率干燥基准 在干燥过程中根据被干木材含水率的变化划分阶段来调节干燥介质温度和湿度的基准表，叫做含水率干燥基准。 高温干燥基准,5.4检验板的选制与使用 检验板的选制 检验板是整窑木材的代表，选制时应注意以下问题： 初含率较高；无腐朽、无节疤、材质密实； 弦向板；边材多。 含水率检验板 含水率检验板是检查木材干燥过程中含水率的变化，进而调整干燥室内的介质状态(T、)。 应力检验板 应力检验板是检查木材各个干燥阶段内应力的变化，判断何时进行调湿处理及其处理时间。 检验板的锯制按锯材干燥质量GB6491-1999进行。,试验板在材堆中的放置位置

19、见下图 B材堆宽度 h材堆高度,5.5干燥工艺 5.5.1预热阶段 木材进入干燥室以后，不能马上进行升温干燥，而要先对木材进行高温高湿处理,使木材里、外热透，在工艺上叫做预热处理。 预热处理的目的 提高木材的温度，使木材沿厚度方向均匀热透； 经过高温、高湿处理后，能溶解木材内部的某些物质，如树脂、单宁、酸类等； 预热处理能促使木材内部水分均匀分布，平衡全部干燥板材间的W差异，创造好的干燥条件； 经预热处理后，可提高木材的可塑性，防止开裂和变形。,5.5.2干燥阶段 5.5.2.1中间处理 锯材在窑干过程的前期会产生表面张应力，严重时会引起表裂，而中、后期会出现表面硬化，严重时会造成内裂。中间处

20、理就是通过高温高湿处理，促其表层吸湿，调整表层和内层水分分布，削弱含水率梯度，使已经存在的应力趋于缓和。实践证明：经中间处理后再转入干燥时，在一定的时间内，干燥速率明显加快而不会引起木材的损伤。 中间处理的介质状态，要和木材当时的含水率适应。 干球温度比当时干燥阶段的温度高810，但干球温度最高不超过100。 湿度按窑内介质的平衡含水率比当时阶段基准的平衡含水率规定值高56来确定，或近似地控制干、湿球温度差为23。,5.5.2.2平衡处理 平衡处理目的是为了提高整个材堆的干燥均匀度和沿厚度上含水率分布的均匀度。 平衡处理的介质状态，温度可以比基准最后阶段高58，但干球温度最高不超过100。对于

21、硬阔叶树材中、厚板，如对干燥质量要求较高时，处理温度最好不要超过基准最后阶段的温度。 平衡处理的介质湿度，按介质平衡含水率值比锯材终含水率低2来决定。例如，当要求锯材干燥到终含水率10，那么，平衡处理的介质平衡含水率应为8。 平衡处理维持的时间与初含水率状况的不均匀程度、干燥窑的干燥均匀性、含水率检验板在材堆中的位置，以及树种、厚度和干燥质量要求等诸多因素有关，不能硬性规定。应以含水率最高的样板和窑内干燥速度较慢部位的含水率及锯材沿厚度上的含水率偏差都能达到要求的终含水率允许偏差的范围内为准。若不能对这些部位和样板进行检测，可凭经验，按每1cm厚度维持26h估计，并在窑干结束后进行检验，以便总

22、结和修正。 对于针叶材和软阔叶材薄板，或次要用途的锯材干燥，可不进行平衡处理。 ,5.5.2.3终了处理 锯材干燥到所要求的终含水率并经过平衡处理之后，无论沿横断面（厚度方向）的含水率分布是否均匀，其内部都会有不同程度的残余干燥应力存在。为了消除这种应力所进行的调湿处理叫做终了处理。 终了处理的介质状态：温度比基准最后阶段高58，或保持平衡处理时的温度，湿度按介质状态的平衡含水率比锯材终含水率高4来决定。例如，当要求锯材终含水率为10时，终了处理介质的平衡含水率应为14。,6、特种（其它）干燥设备,6.1除湿干燥方法 6.1.1除湿干燥的基本原理,左图为单热源除湿干燥机：1.压缩机 2.除湿蒸

23、发器 3.膨胀阀 4.冷凝器 5.湿空气 6.脱湿后的干空气 7.送干燥室的热风 8.电加热器 9.干燥室风机 10.材堆 右图为双热源除湿干燥机：1.压缩机 2.除湿蒸发器 3.膨胀阀 4.冷凝器 5.湿空气 6.脱湿后的干空气 7.送干燥室的热风 8.热泵蒸发器 9.外界环境空气 10.排出的冷空气11.单向阀,除湿干燥与传统干燥方法的原理基本相同，所不同的是传统干燥方法是通过换气的方式排除从木材中蒸发了来的水蒸汽；而除湿干燥则是通过专用设备除湿器冷凝的方法，排除从木材中蒸发出来的水蒸汽，即湿空气是在封闭系统内作“冷凝加热干燥”往复循环。除湿干燥能够回收水蒸汽的汽化潜热，从理论上没有热量的

24、损失，是一种节能的干燥方法。,6.2高频干燥和微波干燥 6.2.1高频与微波干燥的基本原理和特点 高频电磁波一般指波长1000m7.5m、频率0.3MHz40MHz的电磁波； 微波是指波长1mlmm、频率 300MHz300GHZ的电磁波。 高频干燥和微波干燥都是把湿木材作为电介质，置于高频或微波电磁场中，在电磁场的作用下，引起木材中水分子的极化，由于电磁场的频繁交变，使被极化了水分子高速频繁地转动，水分子之间发生摩擦而产生热量，从而加热和干燥木材。 由于微波的频率远高于高频电磁波的频率，故对木材加热和干燥的速度也快得多。因此，木材的高频干燥已逐渐被微波干燥所代替。但电磁波对物料的穿透深度与频率成反比，频率越高，穿透深度越浅。所以高频电磁波对木材的穿透深度比微波大，适宜于干燥大断面的方材。,6.2.3木材的微波干燥 6.2.3.1微波干燥的设备 微波干燥设备主要由微波发生器、微波加热器、以