2　木材干燥的基础知识

2.1　木材学基础

木材是人们十分喜爱的材料，它是构成树木的主体。在目前这个原材料匮乏，价格上涨的时代，木材——唯一可再生的材料，将日益受到人类的重视并得到更广泛的应用。木材干燥过程中产生的很多缺陷，以及木材内部水分移动过程均与木材的组成结构有很大的关系，所以，了解木材的构造对掌握木材干燥意义深远。

2.1.1　木材的宏观构造

2.1.1.1　木材的定义

木材是构成树干、树枝及树根的主要部分的植物组织整体，是树木在许多年生长过程中形成的非均质材料。位于木质部和韧皮部之间的形成层通过细胞分裂周期性地向内生成木质部，向外生成韧皮部。每年新形成的木质部分布于树干的周围，构成边材。边材可贮存淀粉及其他养料。随着树木的生长，边材逐渐转变为芯材。芯材内不再有活的组织，也就是说，化学性质已稳定不变。但是，在天然或人为的气候条件下，会产生物理性质的变化。

在一个生长期中长成的木材称为一个年轮或一个生长层。这一层中先长成的叫早材。早材的细胞较大，木材密度较小，后长成的叫晚材，晚材的细胞较小，木材密度较大。

2.1.1.2　木材的组织结构

树木的年轮宽度、年轮的规则性，还有早材及晚材的比例等，对非均匀结构木材来说，都会影响木材的物理和力学性能，都是决定木材质量的因素。非均匀结构木材的早材和晚材的宽度比例及年轮宽度能决定木材的结构。如晚材比例小于早材，木材被称为轻质材；反之，则称作重质材。

针叶材（裸子植物的树木）和阔叶材（被子植物的树木）比较，早、晚材宽度和木材结构的关系相反。针叶材的早材较宽，是木材的主要部分；而非均匀结构阔叶材的晚材较宽，构成木材的主要部分。然而，不管是针叶材还是阔叶材，重质材的密度一般都比较大。许多树种的芯材和边材有显著区别。这是因为芯材除结构发生变化外，其化学成分也有了改变。芯材中的细胞已不再作为树液的输导器官，原来供树液上行的导管已或多或少被树脂或树胶所堵塞，并透入了单宁（鞣酸）（如图2-1所示）。树种不同，木材的芯材化程度及边材的宽度差别很大。即使树种相同，如产地不同，也有一定的区别。

2.1.1.3　木材的切面

木质细胞的排列不是平行于树干的轴心，就是垂直于树干的轴心，因此，木材的木质结构可分三个主要方向，轴向、径向和弦向（图2-2）。

轴向，即树干的长度方向，也就是树干对称轴心的方向。垂直于轴向切割木材所得的切面为横断面，即木材端面；径向，即树干横断面（圆形）的直径方向，沿着该方向切割，即得对开材；弦向，垂直于径向，即生长年轮的切线方向。

2.1.2　木材的微观构造

绝大多数木材细胞都是由两部分构成的——细胞壁和细胞腔（图2-3）。尽管成熟细胞功能的发挥依赖于细胞壁，不过细胞腔在细胞内水分传导和计算细胞的壁腔比中都不可忽略。

2.1.2.1　木材细胞壁

细胞壁在木材中发挥着至关重要的作用，与细胞腔不同，细胞壁的结构具有高度规律性。不同细胞之间，不同树种之间，甚至针叶材与阔叶材之间，其细胞壁结构都具有高度相似性。木材细胞壁主要由两部分组成——初生壁（primary wall）和次生壁（secondary wall）（图2-4），每部分又由三种高分子化合物构成，分别是纤维素（cellulose）（有着特定的分布与构成形式）、半纤维素以及一定量的基体物质或结壳物质（通常在初生壁内为果胶，次生壁内为木质素）。三种化学成分总量约占木材的90％以上，是构成木材的主要化学成分。

2.1.2.2　纹孔

在木材中，关于细胞壁的种种讨论离不开这样一个问题——活树体的细胞之间是依靠细胞壁上的何种结构实现信息交流的。研究表明，这种结构为两个相邻细胞间细胞壁的凹陷部分，称之为纹孔对（pit-pairs）或者就称为纹孔（pit），它是木材结构的重要组成部分，是应用技术手段处理木材（阻燃、防腐、染色等）时不可忽略的影响因素。纹孔主要由纹孔膜（pit membrane）、纹孔口（pit aperture）和纹孔腔（pit chamber）三部分组成（图2-4）。纹孔膜是纹孔形成时两个相邻细胞间剩余的初生壁部分，主要成分为碳水化合物（糖类），而非磷脂；纹孔口连接着细胞腔与纹孔腔，而纹孔腔则是纹孔内中空的部分。纹孔的类型、数量、大小以及在细胞壁上所占的相对比例可以作为识别某些木材的标志，这些因素在某些场合下还可进一步影响木材的材性，比如说影响木材表面与涂料间的相互作用，等等。

纹孔通常成对出现在两个相邻的细胞间。在相邻细胞的细胞壁上，纹孔的形成过程是分别进行的，但形成的部位却是相互对应的，这样形成的两个纹孔恰好能配成一对，即纹孔对。但某些细胞中，纹孔在形成时其相邻细胞对应的位置并没有另一纹孔的形成，最后只在一个细胞的壁上形成纹孔，这种纹孔称为盲纹孔（blind pit），在木材中不多见。在没有其他信息的情况下，纹孔的类型可以作为一个判别细胞类型的标志，此外，还能帮助预测细胞的行为表现，特别是在涉及流体渗透的场合下，纹孔发挥着重要作用。根据纹孔的结构，纹孔可分为三类：单纹孔（simple pit）、具缘纹孔（bordered pit）和半具缘纹孔（half-bordered pit），如图2-6所示。

具缘纹孔纹孔腔上方的次生壁呈拱形，而且纹孔口通常比较小，或者与纹孔腔呈现出不同的形状。纹孔腔上方呈拱形的次生壁称之为纹孔缘（border）（图2-4和图2-5）。从正面看，具缘纹孔通常呈圆拱形，形状酷似面包圈，纹孔正中间有一个杏仁状的孔洞——纹孔口。在剖面图上，具缘纹孔像一对“V”字形，“V”字的开口端彼此相对（图2-4和图2-5）。此时，“V”字形的轮廓就代表着纹孔缘、纹孔腔上方呈拱形的次生壁。具缘纹孔多出现在两个导管细胞间，其他细胞中也会偶尔出现，但通常都是一些厚壁细胞。

单纹孔没有纹孔缘，纹孔腔的宽度也不发生变化。相邻两个细胞的单纹孔在大小和形状上都是相同的。单纹孔通常存在于薄壁细胞间，从正面看，呈一个简单的圆孔形。

半具缘纹孔出现在导管细胞与薄壁细胞间，由一个单纹孔和一个具缘纹孔组成。单纹孔存在于薄壁细胞的细胞壁上，而具缘纹孔存在于导管细胞的细胞壁上。在活树体中，这种类型的纹孔具有重要意义，因为它连通了导管细胞和生命活动活跃的薄壁细胞。

2.1.3　针叶材的微观构造

针叶材（裸子植物的树木）的微观构造相对较简单，轴向或纵向组织主要由轴向管胞组成，此外还有少量的轴向薄壁细胞与树脂道；而横向组织，即木射线，主要由射线薄壁细胞组成（图2-7）。

2.1.3.1　轴向管胞

轴向管胞（axial tracheid）呈细长型，通常长宽比在100以上，它是针叶树材的主要构成细胞，约占木材总体积的90％以上，同时起输导水分与机械支撑的作用。在横切面上（图2-8），管胞沿径向排列，呈正四边形或长方形，早材管胞腔大壁薄，晚材管胞腔小壁厚。水分通过管胞尖端的具缘纹孔，流通于不同管胞之间。相邻两列轴向管胞并不是头对头脚对脚地整齐排列在一起，而是有20％～30％的错开。水分流经两管胞间的纹孔时，传导路径呈“之”字形，这是因为针叶材的纹孔膜具有很强的疏水性，水分很难通过，只能沿纹孔膜边缘的微孔通过，但微孔直径很小，这就降低了水分传导效率，不如阔叶材的导管效率高。

2.1.3.2　轴向薄壁组织与树脂道

轴向薄壁细胞是针叶材中纵向排列的细胞，轴向薄壁组织是由众多轴向薄壁细胞聚集而成的。轴向薄壁细胞在大小和形状上与射线薄壁细胞很像，但它们彼此互相垂直，各自串联在一起形成各自的薄壁组织。在横切面上（图2-9），轴向薄壁细胞经常与轴向管胞相混淆，但当其细胞腔内含有深色有机物质时便可轻易分辨出来。在径切面和弦切面上（图2-9），轴向薄壁细胞呈长串状，且通常都含有深色内含物。轴向薄壁细胞在针叶材中仅少数科、属中单独具有，含量甚少或无，平均仅占木材总体积的1.5％，仅在罗汉松科、杉科、柏科中相对含量较多，为该类木材的重要特征。在松科木材中除雪松属、铁杉属、冷杉属、油杉属及金钱松属等有时含有少量轴向薄壁细胞，或具树脂道树种在树脂道周围具有外，其余均不具有。

树脂道是由薄壁的分泌细胞环绕而成的孔道，是具有分泌树脂功能的一种组织，为针叶材的构造特征之一。当谈到树脂道及围成树脂道的薄壁细胞时，更准确的称谓应该为轴向树脂道或者横向树脂道。在松属木材中，其树脂道在横切面上用肉眼即可看见，但云杉属、落叶松属和黄杉属，其树脂道非常小，肉眼难以分辨，需借助放大镜才能看清。横向树脂道存在于特殊的木射线内，被称为纺锤形木射线，与普通的木射线相比，纺锤形木射线高而宽。通常，除上述几种针叶材外，其余树种不存在树脂道，但某些树种在受到较大损伤时会形成弦向排列的树脂道群，称为创伤树脂道。

2.1.3.3　木射线

在针叶树材的横切面［图2-10（a）］上，除了轴向管胞和树脂道外，还能看到另一种细胞——射线薄壁细胞。射线薄壁细胞聚集成射线薄壁组织，在横切面［图2-10（a）］上呈现一条自上而下贯通的黑色线条，但针叶材的射线薄壁组织欠发达，肉眼难以看见。射线薄壁细胞呈砖块状，通常约15μm高，10μm宽，150～250μm长，沿径向排列［图2-10（b）］。射线薄壁组织负责营养物质的合成、贮存及横向运输，此外，还负责水分的横向传导。在径切面上［图2-10（b）］，射线薄壁组织像一面用砖砌成的墙，偶尔可见某些细胞充满着深色的内含物。在弦切面上［图2-10（c）］，一个个射线薄壁细胞依次堆叠起来组成射线，其宽度方向只由一个细胞组成，称之为单列射线。

射线薄壁细胞与轴向管胞相交而成的区域称为交叉场，此区域有专门的纹孔来连通轴向组织与横向组织。同一树种的交叉场纹孔在类型、形状、大小以及数量上通常具有一致性，可以作为识别该树种的一个标志。

2.1.4　阔叶材的微观构造

阔叶材（被子植物的树木）的微观构造与针叶材相比要复杂得多。纵向组织由各种类型的纤维细胞、不同尺寸及排列情况的导管细胞和样式繁多的轴向薄壁细胞组成。横向组织与针叶材一样，由射线组织构成，其射线组织亦是由射线薄壁细胞聚集而成的。但不同的是，阔叶材的射线在尺寸和形状上比针叶材更具多样性（图2-11）。

2.1.4.1　导管

在传输水分及营养物质方面，阔叶材具有专门的结构——导管分子［图2-12（a）］，这是阔叶材所特有的，可作为阔叶材的识别标志。导管分子一个挨一个地连接在一起，构成导管系统。两个导管分子纵向相连时，端壁间相互连接的细胞壁称为穿孔板，其端壁相通的孔隙称为穿孔［图2-12（a）］。因此，可看出阔叶树材负责水分传导的是相互贯通的管状结构（导管），而针叶树材的水分传导结构（管胞）不是完全贯通的。在横切面上，导管呈现出许多大小不等的孔眼，称为管孔。

导管直径差异性很大，小的能到30μm以下，大的可达300μm以上，但通常都分布在50～200μm范围内。导管分子的长度比管胞要小，在100～1200μm（0.1～1.2mm）范围内。导管分子的排列样式多种多样。在一个年轮内，若早晚材管孔大小基本一致，排列分散，则称此树种为散孔材；若早材管孔比晚材管孔大得多，则称此树种为环孔材。管孔的排列方式还可分为沿弦向、沿径向、簇状、星散状，或者这些类型的组合。此外，单个导管分子可以单独出现（单管孔），也可两两成一对（复管孔），甚至更多的管孔沿径向串成链（管孔链）或聚成团（管孔团）。穿孔可分为两大类型，单穿孔和复穿孔。单穿孔［图2-12（b）］的穿孔板上只有一个大的开口，而复穿孔［图2-12（c）］的穿孔板上有若干个小的开口，中间靠长条隔开。

不同导管分子间的横向交流是依靠导管分子端壁上的具缘纹孔实现的［图2-12（d）～图2-12（f）］。这些具缘纹孔的高度在2～16μm之间，在导管壁上的排列形式有3种，梯状纹孔、对列纹孔和互列纹孔。梯状纹孔［图2-12（f）］为长方形纹孔，它与导管长轴呈垂直方向排列，纹孔的长度常和导管的直径几乎相等；对列纹孔［图2-12（e）］为方形或长方形纹孔，呈上下左右均对称的排列，呈长或短水平状对列；互列纹孔［图2-12（d）］为圆形或多边形的纹孔，作上下左右交错排列，若纹孔排列非常密集，则纹孔呈六边形，类似蜂窝状，若较稀疏，则近似圆形。阔叶材绝大多数树种均为互列纹孔。

有些树种只存在一种类型的纹孔排列，而有些树种却能看到两种甚至三种。导管分子与射线薄壁细胞间的横向交流是依靠二者间的半具缘纹孔实现的，这些纹孔在大小和形状上与导管间纹孔相似或略大。

2.1.4.2　木纤维

阔叶树材的木纤维专司机械支撑，其长度比针叶树材的管胞（200～1200μm）要短，平均宽度为针叶树材管胞的一半，但通常是导管分子长度的2～10倍。木纤维细胞壁的厚度是决定木材密度和力学强度的主要因素。某些树种，如杨树、椴木、木棉树和轻木等，其木纤维细胞壁的厚度较小，受此影响，这些树种的密度和力学强度较低。而有些树种，如硬枫木、刺槐、绿心葳和钻石红檀等，其木纤维细胞壁厚度大，相应地，其密度和力学强度较高。阔叶树材的气干（含水率12％）密度一般都在0.1～1.4g/cm3，而针叶树材的一般在0.3～0.8g/cm3。木纤维细胞间的纹孔对多为单纹孔对或具缘纹孔对。管胞本是针叶树材的主要组成单元，但在某些阔叶中也能见到管胞的存在，如在蒙古栎、柳桉等木材的导管分子附近，就存在导管状管胞和环管管胞这两种阔叶树材管胞。阔叶树材中这些特殊的“木纤维”通常都具有具缘纹孔，腔大壁薄，并且比着正常的木纤维要短，同时起着支撑和传导作用。

2.1.4.3　轴向薄壁组织

在针叶材中，轴向薄壁组织很少出现甚至根本就不出现，即使出现也是存在于个别树种中，而且比较分散，但在阔叶材中，轴向薄壁组织较发达，排列形式也是多种多样。针叶树材和阔叶树材的轴向薄壁细胞在大小和形状上基本一致，而且发挥功能的方式也是相同的，唯一的区别就在于数量和排列方式上。根据轴向薄壁组织与导管加生的关系，阔叶树材中的轴向薄壁组织可分为两大类，傍管型和离管型。傍管型又可进一步分为环管状、翼状、带状。离管型也可再细分为星散状、带状、轮末状和轮始状。每个树种的轴向薄壁组织都有其独特的排列方式，可作为树种识别的重要标志。

2.1.4.4　木射线

阔叶材的木射线比针叶材要发达很多，排列形式更是多种多样。大多数阔叶树材，其木射线都是多列射线，但某些树种，如柳树、杨树、相思木等，其木射线却与针叶材的相像，为单列木射线。在橡树和硬枫树两树种中，既存在单列木射线，也存在高达8列以上的多列木射线，并且在橡木中，木射线的高度可达几厘米［图2-13（a）］。大多数树种，其木射线都是1～5个细胞宽，不到1mm高［图2-13（b）］。阔叶树材的木射线同样由射线薄壁细胞组成，并且按其长轴与树轴所成的方向可分为横卧细胞和直立细胞。横卧细胞长轴与树轴垂直，水平排列，大小和形状与针叶材的射线薄壁细胞相似［图2-13（c）］。直立细胞长轴与树轴平行，垂直排列，长度比横卧细胞要小，某些甚至成方形。只由横卧细胞组成的木射线为同型射线，由横卧细胞和直立细胞共同组成的射线为异型射线，直立细胞的列数从1～5以上不等。

2.2　木材流体渗透性

渗透性和孔隙率之间的关系非常密切。孔隙率是固体中孔隙所占的空间百分比，而渗透性（permeability）是流体依靠压力梯度穿过多孔性材料难易程度的计量。显然，一个可渗透的固体必定是多孔性的，但并非所有多孔性的固体都是可渗透的，只有各孔隙空间有通道相互沟通才具有渗透性。木材虽然多孔，但渗透性却不那么大。即使空隙率大，空隙间的联络受到限制，则渗透性也会变小。木材的渗透性与木材内粗大的毛细管构造及与其联络的微毛细管构造的渗透性有关。

木材流体渗透性是指流体（液体与/或气体）在压力梯度下进入、通过和流出木材的难易程度。在木材非机械加工处理过程中，无论将流体注入木材如防腐、阻燃、浸提、改性、油漆和染色处理，或将流体自木材内排出如木材干燥和真空处理，都与木材流体渗透性密切相关。

2.2.1　流体在木材内的渗透

流体在木材内的渗透要满足两个基本条件：通道和动力。木材是一种天然的毛细管多孔材料，具有纹孔和细胞腔相互联结的空隙，流体在特定条件下，可以沿着这样的毛细结构运行于木材中，既可以自木材内排出，也可以从木材外注入。因此，流体在木材内流动的主要通道为纹孔对和细胞壁构成的大毛细管系统。

对于针叶树材，轴向管胞是其主要结构因子（占总体积的90％～93％），彼此间依靠纹孔对相互连接，故可以认为针叶材的主要流通通道为流体穿过轴向管胞的具缘纹孔对进入到下一个紧邻的轴向管胞。

阔叶树材比针叶树材结构更为复杂，因为其化学组分组成了更多的细胞类型，最主要的是轴向输导组织，包含导管（55％）和木纤维（26％）。木纤维通常少纹孔，具厚壁；而导管分子主要通过开放的穿孔板相连通。另外，导管腔中的甲基纤维素（纤维素中的部分或全部羟基上的氢被甲基取代的产物，具有成膜性好、表面耐磨、贮存稳定的特点）和其他的堆积物也很大程度上控制着流体的渗透。因此，可以构建一个归纳的阔叶树木材流体流通通道：导管是阔叶树木材中最主要的开放流通通道，流体通过导管并经末端穿孔板到达下一个导管，除非它们被甲基纤维素或其他沉积物堵塞——此时，流体会从导管流向轴向薄壁组织、木纤维和木射线。

总之，针叶树木材的主要流通通道为彼此间通过纹孔对相互连通的管胞；阔叶树木材为彼此间通过穿孔板相互连通的导管。它们纵横向彼此连通，被统一视作串并联毛细管，共同组成了流体在木材内流入、经过和流出的主要通道。这种流体在木材真实毛细管中的流动或许可以被近似认为流体在串并联玻璃毛细管中流动的组合。

木材内流体的迁移可细分为两大类。第一类为质量流，即流体在静压梯度或毛细管压力梯度作用下，沿木材结构中孔隙网络的移动，其驱动力可认为是动量梯度密度，故有时又称为动量传输。第二类是扩散，扩散有两种：气体之间的扩散（包括水蒸气在细胞腔空气中的扩散）和细胞壁里结合水的扩散。质量流的实际应用有木材阻燃、防腐、防虫等的药剂加压处理，木材层积塑料生产中为后续聚合工艺进行的单体浸渍和木片的制浆化学药剂浸渍等；而扩散则出现于木材在气干或室干时以及水分由于季节相对湿度的变化而在建筑物外墙的木构件以及室内的木制品和家具里的移动。一种流体在木材里进行质量流的强弱取决于木材的渗透性。

2.2.2　影响渗透性的因素

木材自身的性质（如解剖构造、成分含量）、渗透流体的性质以及渗透工艺的选择都不同程度地影响着木材的流体渗透性。但最主要的影响因素还是木材自身的性质。

（1）与木材本身有关的影响因子　流体在木材内渗透的主要通道为纹孔对和细胞腔组成的大毛细管系统。木材毛细管结构对于流体输导有效性是各不相同的，其有效性的高低取决于流体可渗性有效毛细管半径和数量，有效毛细管半径越大、数量越多，则渗透性越高。因此，影响有效毛细管半径和数量的因素同时也是影响木材流体渗透性的因素。

a.具有流体可渗透性平均有效管胞或导管半径及其单位面积上的数量，平均有效纹孔膜微孔半径或复合穿孔板穿孔半径及其单位面积上的数量。对于针叶树材，管胞及其之间的纹孔对是构成大毛细管系统的主要结构，其平均有效可渗透半径和单位面积上的数量，尤其是纹孔膜上的微孔半径和数量，直接影响着针叶树材的大毛细管可渗透性。相应地，阔叶树材中的导管及其之间复合穿孔板穿孔的有效半径和数量直接影响着阔叶树材的流体渗透性。

b.纹孔闭塞。国外研究学者曾指出，对于气干材而言，当松科木材由生材状态开始水分干燥至纤维饱和点时，此时管胞腔内的自由水已基本上被蒸发排尽，于是便在起连通功能的管胞具缘纹孔对的纹孔室内形成了气-液弯月面，从而产生了毛细管张力。当弯月面移动至纹孔膜塞缘上的微孔时，由于塞缘上的微孔非常小（0.02～4μm），所产生的高毛细管张力可以使纹孔膜发生移动从而偏向纹孔室的另一端口，因而形成纹孔闭塞，降低了木材渗透性，增加了流体在木材内的浸注难度。

c.抽提物含量高低与分布。木材抽提物的化学组成包括酚类、脂质、蜡状物、异构体和萜类化合物，抽提物成分、含量及其在木材中的分布都影响着木材的渗透性。如抽提物是否沉积在针叶树材管胞腔、阔叶树材导管腔以及纹孔膜的微孔而堵塞或阻碍流体渗透路径，从而降低木材的渗透性。芯材比边材渗透性低，部分原因是由于芯材含有较多的抽提物，并且覆盖了纹孔膜的微孔，从而造成了有效纹孔膜微孔半径的减小和数量的减少，降低了芯材的渗透性。

d.细胞腔中树脂或树胶的含量与分布。树脂或树胶量少且分散，则流通通道顺畅，渗透性高。如落叶松渗透性差，其含有的丰富树脂就是主要原因之一，而且其芯材树脂含量高于边材，使得其芯材渗透性低于边材。

e.木材含水率。鲍甫成等曾对马尾松、红松、泡桐等七个树种木材在不同含水率时的气体渗透性做过测定。试验方法是首先对气干试样（含水率约10％～12％）进行第一次渗透性测定，然后令其吸水至纤维饱和点以上，再进行第二次渗透性测定。结果发现所有树种的全部试样第一次测定值与第二次显然不同，统统是从低含水率时的高渗透性变成高含水率时的低渗透性，相差几十倍甚至几千倍，有些试样甚至变成完全不渗透，表明气体渗透性随着含水率的增高而减小。随着测定时间的延长，这些试样的气体渗透性由于试样中的水分在长时间的气体压力作用下逐渐被挤出，一度曾为水分所堵塞的气体渗透路径逐步被疏通，渗透性变得越来越高。由于木材中水分未能全部被挤出，所以渗透性虽变得越来越高，但并未恢复到原始状态。接着将试样进行低温（30℃）干燥，进一步除去试样中的水分使之恢复到原有的含水率状态，再进行第三次渗透性测定。试验表明，气体渗透性随着试样中水分进一步排出而得到进一步增大，不但恢复到原始状态，而且高于原始状态时的渗透值。由此可以认为在纤维饱和点以上，木材含水率对气体渗透性具有无可置疑的影响，随着含水率的增高木材气体渗透性减小。

至于在纤维饱和点以下，一些国外研究成果表明：阔叶树材含水率的多少并不影响渗透性，因为细胞壁微毛细管系统对气体是不可渗透的；但针叶树材渗透性却随着含水率的增加而减少，这是因为木材吸湿膨胀过程中，纹孔塞位置发生偏移而关闭了纹孔的关系。

除上述主要影响因素外，针叶树材树脂道中拟侵填体的存在以及阔叶材导管中侵填体的存在等也都影响着木材的流体渗透性。正是上述因素（除含水率）的共同作用，导致针叶材低渗透树种比阔叶材多、阔叶环孔材低渗透树种比散孔和半散孔材多。同一树种，纵向渗透性大于横向渗透性；边材渗透性往往大于芯材渗透性；弦向渗透性与径向渗透性及早材渗透性与晚材渗透性随树种而异。

（2）与渗透流体有关的影响因子　当渗透流体为液体时，木材渗透性与液体种类和极性、分子大小及构造、液体黏度和浓度等因素有关。一般来说，液体黏度越低，浓度越低，分子空间体积越小，极性参数与木材越相近，则越有利于液体渗透木材。当渗透流体为气体时，渗透性差异不大。通常氮气渗透略快，氧气略慢，而空气介于两者之间。

（3）与渗透工艺有关的影响因子　与渗透工艺有关的影响因子主要有温度、压力和渗透时间等。一般地，升高温度可降低液体黏度从而加速液体在木材内的渗透速度；施加压力和延长渗透时间都可不同程度地提高木材渗透性。

2.2.3　改善渗透性的具体方法

改善木材渗透性作为木材干燥的预处理阶段，对整个干燥过程有着重要的意义。它不仅能加快木材干燥速度，缩短干燥周期；还能减少干燥缺陷（如皱缩）的产生，提高木材干燥质量。改善木材的流体渗透性要从木材流体渗透性的影响因素出发，运用一定的方法手段消除或缓解这些因素对木材的影响，提高木材的流体渗透性。木材渗透性的主要影响因素为木材本身的性质，而且作为木材干燥的一项预处理，改善木材的渗透性也只能从改善流体渗透通道（大毛细管系统）通透性出发，寻找适合的方法手段。下面将列举几种具体的改善措施。

（1）微波干燥法和高温干燥法　利用高强度微波辐射和高温使木材内水分快速汽化形成向外扩散的蒸气压，作用于细胞内壁及纹孔膜，从而冲破薄弱组织，产生额外流体渗透通道，从而增加木材的流体渗透性。研究表明，微波干燥法既增加了渗透通道，又使抽提物含量减少，从而大大提高了木材渗透性；且此法能降低木材内部应力，使力学性能得以改善。

（2）水热处理和蒸汽爆破处理　水热处理是用水蒸煮或用不同压力及温度的饱和水蒸气处理木材。经蒸汽热处理的木材导管壁上的纹孔膜出现了不同程度的破裂，甚至形成空洞，渗透性能得到了较明显的改善。饱和蒸汽还能够溶解木材中一些抽提物，进一步改善木材渗透性。蒸汽爆破处理主要是利用蒸汽压力使纹孔缘与细胞壁、纹孔塞与塞缘和交叉场纹孔出现裂痕或裂隙，从而使木材的渗透性得以提高。有人对板材进行了蒸汽爆破预处理，渗透性得到了不同程度的提高，而且蒸汽爆破处理的压力越大、处理温度越高、板材厚度越薄和爆破次数越多，渗透性增加就越大。

（3）微生物处理和酶处理　微生物处理利用细菌或真菌等微生物对木材薄壁组织及纹孔膜进行侵蚀，拓宽木材流体渗透通道，从而提高木材渗透性，它包括细菌处理法和真菌处理法。细菌侵蚀处理也称作水存处理，将木材贮存于贮木池中，池水里的细菌会对木材细胞的纹孔塞和具缘纹孔膜结构及射线薄壁细胞造成分解或降解，增加其孔隙，从而改善木材的渗透性。真菌处理木材是在木材上接种真菌的孢子，真菌会侵入木材，其菌丝穿过细胞腔向木材内部扩散，并且分泌酶，这些酶可以降解纹孔膜的组分，打通闭塞的纹孔，提高木材的孔隙度，从而提高木材的渗透性。

酶处理是在木材上接种选定的酶，酶会降解纹孔膜及纹孔塞的主要成分，打通闭塞的纹孔，提高木材的渗透性。不过目前阻塞纹孔物质的化学成分还没有得到确定，酶种的选取不够明确；酶溶液只有扩散到芯材、边材交界处才能获得较好的处理效果，但化学物质在木材中自由扩散受到很大的限制，要采用很高的压力才能获得很好的扩散效果。因此酶处理法在工业上的应用存在局限性。

（4）溶剂置换法和冷冻干燥法　溶剂置换法是利用低表面张力的有机溶剂（如酒精）置换生木材内的自由水。一方面使木材纹孔保持生材时的状态，减少纹孔闭塞，从而使干燥后的木材，特别是边材保持较高的渗透性；另一方面通过溶解一部分抽提物，提高木材，尤其是芯材的渗透性。冷冻干燥是将木材放入0℃以下的环境中，让水结成冰，并在此环境下让冰直接升华成水蒸气，从而实现干燥木材的目的。冷冻干燥避免了常规木材干燥过程中气-液界面的出现，消除了表面张力，降低了纹孔闭塞率，从而提高了木材的渗透性。

（5）化学法　化学法是采用水、碱溶液或一些有机溶剂等，溶解或侵蚀阻碍流体渗透性的成分或要素，以改变纹孔闭塞率。研究证明，木材经冷水、热水、1％NaOH溶液和苯-乙醇抽提，渗透性都有明显提高，碱和苯-乙醇抽提效果最明显。苯乙醇浸提不仅使渗透性得到明显改善，而且还可以增加渗透的均匀性。

（6）超临界流体处理法　所谓超临界流体（supercritical fluid，SCF），就是指超过临界温度（Tc）和临界压力（Pc）状态下的非凝结性的高密度流体，是介于气体和液体之间的流体，同时具有液体和气体的双重性。超临界流体的密度和液体接近，黏度与气体相当，扩散系数比液体大10～100倍。由于二氧化碳的临界温度（31.1℃）是文献上介绍过的超临界溶剂临界温度最接近室温的，可在室温附近实现超临界流体技术操作，以节省能耗；其临界压力（7.39MPa）也比较适中，设备加工并不困难；同时，超临界CO2密度大，对多种溶质具有较大的溶解度，而水在CO2中的溶解度却很小；此外，CO2具有传质速率高、易得、无毒、不燃烧、化学稳定性好以及极易从萃取产物中分离出来等一系列优点，因此当前绝大部分超临界流体都以CO2为溶剂。

超临界CO2流体处理法，就是利用超临界CO2流体的高溶解性溶解木材中的影响渗透的部分抽提物，借助快速的压力变化及高压作用破坏纹孔闭塞，以形成顺畅通道；同时利用超临界CO2流体的高扩散性，快速实现流体在木材中的渗透。在超临界CO2流体中加入少量的携带剂，以进一步提高其对抽提物的溶解性，可更好地提高流体在木材中的渗透性。

（7）超声波法　超声波频率高、功率大，可以引起液体的疏密变化，这种变化使液体时而受压，时而受拉。由于液体受拉的能力很差，因此在强的拉力作用下，液体会发生断裂，从而产生小空穴，声波的稀疏阶段使小气泡迅速长大，然后在声波压缩阶段中，小泡又突然被绝热压缩至破灭和分裂，在破灭过程中，小泡内部可达几千摄氏度高温和几千个大气压的高压，并且由于小泡周围液体高速冲入而形成强烈的局部冲击波，这就是液体内部的超声空化作用。

利用超声波空化效应产生的局部冲击波，对存放在液体介质（如水）中的木材（通常为湿材）进行作用，能够促进木材抽提物的溶出，打通木材内部流体流动通道，提高木材对流体的渗透性。

2.3　与干燥有关的木材物理性质

2.3.1　木材中的水分

一棵活树，其根部的细胞不断地从土壤中吸收水分，经过木质部的管胞（针叶材）或导管（阔叶材）输送到树叶，树叶中的水分一部分用于蒸腾作用，另外一部分参与光合作用。树木中的水分既是树木生长必不可少的物质，又是树木输送各种营养物质的载体。根部不间断地把土壤中的水分输送到树叶，所以树干中含有大量水分。活树被伐倒，并锯制成各种规格的锯材后，水分的一部分或大部分仍然保留在木材内部，这就是木材中水分的由来。

木材是一种具有多孔性、吸湿性的生物材料，当木材周围的大气条件发生变化时，其含水量也会随之发生变化。木材与水分之间的关系是木材性质中最重要的一部分，木材中水分含量的多少在一定范围内影响木材的物理力学性质以及机械加工性能。

2.3.1.1　木材中水分的存在状态

木材是由无数的中空细胞集合而成的空隙体。木材中的水分按其与木材的结合形式和存在的位置，可分为化合水、吸着水和自由水三种。如图2-14给出了木材中水分存在状态和存在位置。

化合水存在于木材化学成分中，它与组成木材的化学成分呈牢固的化学结合，一般温度下的热处理是很难将它除去的，且数量很少，可以忽略不计。因此，对干燥有意义的主要是自由水和吸着水。图2-15给出了生材和干材内部水分存在的两种状态。

自由水是指以游离态存在于木材细胞的胞腔、细胞间隙和纹孔腔这类大毛细管中的水分，其性质接近于普通的液态水。理论上，毛细管内的水均受毛细管张力的束缚，张力大小与毛细管直径大小成反比，直径越大，表面张力越小，束缚力也越小。木材中大毛细管对水分的束缚力较微弱，水分蒸发、移动与水在自由界面的蒸发和移动相近。自由水多少主要由木材孔隙体积（孔隙度）决定，它影响到木材重量、燃烧性、渗透性和耐久性，对木材体积稳定性、力学、电学等性质无影响。

吸着水是指以吸附状态存在于细胞壁中微毛细管的水，即细胞壁微纤丝之间的水分。木材胞壁中微纤丝之间的微毛细管直径很小，对水有较强的束缚力，除去吸着水要比除去自由水消耗更多的能量。吸着水多少对木材物理力学性质和木材加工利用有着重要的影响。木材生产和使用过程中，应充分关注吸着水的变化与控制。

2.3.1.2　木材的含水率及测量

（1）木材含水率的定义

木材中水分含量多少是用含水率或含水量来表示的。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，木材含水率可分为绝对含水率和相对含水率两种。

如果用木材所含水分的质量占其绝干材质量的百分率表示，称为绝对含水率。

木材绝对含水率：

式中　G湿——木材湿质量，g或kg；

G干——木材绝干质量，g或kg。

如果用木材所含水分的质量占其湿材质量（或木材原来的质量）的百分率表示，称相对含水率。

木材相对含水率：

木材干燥生产中通常多用绝对含水率，相对含水率只在个别情况下才采用。因为绝干材质量固定，便于比较，而木材湿材质量（或木材原质量）会随时在变化，不宜作互相比较用。

（2）含水率的测量

①称重法　是最传统、最基本的木材含水率测定方法。我国林业行业标准及国家标准中都规定以称重法测量的含水率为准。称重法是进行基础性试验研究和校正其他测定方法的依据。

按照国家标准GB/T 6491—2012规定，在湿木材上取有代表性的含水率试片（厚度一般为10～12mm），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。一般应在距离锯材端头250～300mm处截取。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（103±2）℃的恒温箱中烘6h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2h称重并记录一次，直到两次称量的质量差不超过0.02g时，则可认为是绝干。称出绝干后，代入公式（2-2）计算即可。

用称重法测量木材含水率准确可靠，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，且耗时长，操作烦琐。由于薄试片暴露在空气中其水分容易发生变化，因此，测量时要注意截取试片后或取出烘箱后应立即称重，如不能立即称重，须立即用塑料袋包装，防止水分蒸发。

②电测法　是根据木材的某些电学特性与含水率的关系，设计成含水率测定仪直接测量木材含水率的方法。依据木材电学特性的不同，电测法可分电阻式含水率测定仪测定和介电式含水率测定仪测定两种。电测法测量方便、快速，且不破坏木材，但测量范围有限。电测法详见3.2.3.3所述。

2.3.1.3　木材的纤维饱和点

当木材细胞腔中的自由水蒸发完毕，而木材细胞壁中的吸着水处于饱和状态时木材的含水率叫木材的纤维饱和点。

纤维饱和点是木材性质的转折点，木材的强度、收缩性能，以及导热、导电性能等都与其密切相关。当木材含水率高于纤维饱和点时，木材强度和导电性不受影响，木材收缩或膨胀亦不会发生；当木材含水率低于纤维饱和点时，则随含水率的减小而木材的导电性减弱，强度和收缩增大；反之，随着含水率的增加，则木材的膨胀增大，强度降低，导电性能增强。纤维饱和点随树种与温度而不同，就多种木材来说，在空气温度约为20℃、空气湿度为100％时，纤维饱和点对应的含水率平均值为30％，变异范围为23％～33％。随着温度的升高，木材纤维饱和点降低，温度每升高1℃，木材纤维饱和点降低0.1％，其表达式可以表示为：

MFSP=0.3-0.001（t-20）　　（2-3）

式中　MFSP——纤维饱和点；

t——温度℃。

这说明温度越高，木材从饱和空气中吸湿的能力越低。纤维饱和点与木材利用关系十分密切，它是木材材性变化的转折点已被大家公认。图2-16中给出了木材细胞腔中水分分布理想状态。

2.3.1.4　木材的平衡含水率

（1）木材的吸湿性　木材是一种吸湿性的材料。当空气中的蒸汽压力大于木材表面水分的蒸汽压力时，木材自外吸收水分，这种现象叫吸湿；当空气中的蒸汽压力小于木材表面水分的蒸汽压力时，木材向外蒸发水分，这种现象叫解吸。木材的吸湿和解吸统称为木材的吸湿性。吸湿性不等同于吸水性，前者指的水分存在于木材的细胞壁，而后者指的水分还包括自由水。

木材的吸湿机理包括：一是木材细胞壁中极性基团（主要为羟基，通过形成氢键）对水分的吸附（为木材吸湿的主要机理）；二是在吸着环境的相对湿度很高时，由Kelvin公式确定的细胞壁毛细管系统产生凝结现象。

当木材在一定的相对湿度和温度的大气环境中，随着时间的延续，含水率逐渐由高变低，最终达到一个恒定不变的含水率称为木材解吸稳定含水率MC解；若含水率逐渐由小增大，最终达到一个恒定不变的含水率称为木材吸湿稳定含水率MC吸，如图2-17所示。对于木材来说，在一定的大气条件下，吸湿稳定含水率总要比解吸稳定含水率低，这种现象称之为木材的吸湿滞后。不同条件下木材的吸湿与解析及吸湿滞后如图2-18所示。吸湿滞后的值用ΔMC来表示，吸湿滞后数值的变异范围在1％～5％，平均值为2.5％。

（2）木材的平衡含水率的定义　当木材在一定的相对湿度和温度的大气环境中，吸收水分和散失水分的速度相等，即吸湿速度等于解吸速度，这时的含水率称为木材的平衡含水率（EMC）。

在实际生产中，气干锯材的吸湿滞后值不大，可以忽略不计。因此一般气干锯材的平衡含水率可粗略地认为：EMC=MC解=MC吸。

木材平衡含水率是制订干燥基准，调节和控制干燥过程，所必须考虑的问题。木材干燥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。通常情况下取木材终含水率为：

MC终=EMC-2.5％　　（2-4）

在特定环境中，木材的平衡含水率会随着不同树种，同一树种的不同部位（如芯边材），木材的组分（如抽提物）的不同而出现一定的差异。除了木材本身的组分之外，湿度、温度、吸湿历史等其他因素也会影响木材的平衡含水率。

（3）木材平衡含水率的确定　木材平衡含水率的确定方法有：气象资料法、图表法、称重法和电测法。下面主要介绍图表法及电测法。

①图表法　根据木材所处环境的温、湿度，由图2-19或附录1直接查得。

②电测法　直接采用平衡含水率测量装置测量。这种测量装置可与电阻温度计一起装在干燥室内，用来代替传统的干、湿球温度计，测量并控制干燥介质状态，尤其适用于计算机控制的干燥室。即计算机根据所测的木材含水率和干燥介质对应的平衡含水率，按基准设定的干燥梯度来控制干燥过程。但是由于电测法是靠电阻的大小来衡量含水率多少的，只有当含水率处于6％～30％之间才能用。

木材在使用过程中，室内与室外环境中使用的木材的平衡含水率会随着时间的变化而发生改变，我国不同地区的平衡含水率可通过附录2得到。

2.3.2　木材的密度与干缩

2.3.2.1　木材的密度

木材的密度为单位体积木材的质量，单位为g/cm3。木材密度是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。就干燥工艺而论，密度较大的木材较难干燥。

根据木材中水分状态的不同，常用的有气干材密度、绝干材密度和基本密度。

①气干材密度ρq是木材含水率为12％时的质量G12与体积V12之比。气干材是木材长期在一定大气环境中放置的木材，我国国标将气干材的含水率定为12％。

②绝干材密度ρ0是木材经过温度在103℃左右的烘箱中干燥到其质量不再变化时的木材，认为其含水率为0，木材的绝干材密度则是绝干状态下木材的质量G干与其体积V干之比。

③基本密度ρj（公定密度）是木材试样绝干质量G干与试样饱和水分时的体积V湿之比，就是说密度计算时质量与体积对应着木材的不同含水率状态。

以上三种密度，一般以基本密度为木材材性的依据。因为绝干材的重量和饱和水分时的木材体积都比较固定，所以在实验室常用作判断木材重量和相互比较性的指标。但在生产上多采用木材气干密度。

2.3.2.2　木材的干缩和变形

木材的干缩与湿胀是木材的重要性质，是导致木材尺寸不稳定的根本原因，影响着木材及木制品的正常使用。如干缩会导致木制品尺寸变小而产生缝隙、翘曲甚至开裂；湿胀不仅增大木制品的尺寸，使地板隆起、门窗关不上，而且还会降低木材的力学性质。但对于木桶、木盆及木船等，木材的湿胀有利于这些木制品的张紧。

木材干缩湿胀的现象为在绝干状态和纤维饱和点含水率范围内，由于水分进出木材细胞壁的非结晶领域，引起的非结晶领域的收缩或湿胀，导致细胞壁尺寸变化，最终木材整体尺寸变化的现象。一般认为木材干缩湿胀时只是木材细胞壁尺寸的变化，木材细胞腔的尺寸不变。木材之所以会干缩湿胀，是因为木材是一种多孔性毛细管胶体，具有黏弹性；而且木材细胞壁主成分分子上具有羟基等极性基团，能与水分子之间形成氢键，其吸湿和解吸过程伴随着能量的变化。

（1）木材干缩的各向异性　木材的干缩湿胀在不同纹理方向上是不同的（图2-20），因此，木材的干缩率可以分为线干缩率和体积干缩率。木材线性干缩又可分为顺纹理方向和横纹理方向（径向和弦向）的干缩（图2-21）。经试验测定，对于大多数树种来说，木材顺纹方向干缩率很小，为0.1％～0.3％；径向干缩率为3％～6％；弦向干缩率为6％～12％。可见，三个方向上的干缩率以轴向干缩率最小，通常可以忽略不计，这个特征保证了木材或木制品作为建筑材料的可能性。但是，横纹干缩率的数值较大，若处理不当，则会造成木材或木制品的开裂和变形。

（2）木材干缩与变形　在实际生产中，通常采用干缩率和干缩系数两个参数来定量表述木材的干缩程度。

干缩率包括气干干缩率和全干干缩率。木材从生材或湿材状态自由干缩到气干状态，其尺寸和体积的变化百分比称为木材的气干干缩率；而木材从湿材或生材状态干缩到全干状态，其尺寸和体积的变化百分比称为木材的全干干缩率。

利用公式（2-8）和（2-9）可分别计算出从湿材到全干时的全干干缩率和体积干缩率。

式中　βmax——试样径向、弦向或纵向的全干干缩率，％；

Lmax——试样含水率高于纤维饱和点时的径向、弦向或纵向尺寸，mm；

L0——试样全干时径向、弦向或纵向尺寸，mm。

式中　βVmax——试样的体积全干干缩率，％；

Vmax——湿材的体积，mm3；

V0——试样全干时的体积，mm3。

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（％），用K来表式。弦向、径向、纵向和体积干缩系数分别记为KT、KR、KL和KV。利用干缩系数，代入公式（2-10）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。

YW=K（30-W）　　（2-10）

式中　YW——指定含水率下的干缩数值，％；

K——干缩系数，％；

W——指定木材含水率，％。

木材弦向干缩与径向干缩的比值称为差异干缩。干缩率的大小是估量木材稳定性好坏的主要依据；差异干缩是评价木材干燥时，是否易翘曲和开裂的重要指标。差异干缩率值愈大，木材愈易变形、开裂。根据木材差异干缩的大小，大致可决定木材对特殊用材的适应性，木材的干缩系数与木材的密度也有很大的关系（附录3）。

2.4　木材内部水分移动

2.4.1　木材内部水分移动通道

对应于木材中水分形态的多样性，木材中水分的移动形式也是多种多样的，其中包括基于压力差的毛细管中的移动，基于浓度差的扩散，自由水在细胞腔表面的蒸发和凝结，以及细胞壁中结合水的吸着和解吸。

针叶树材中水分或其他流体的路径主要是由管胞内腔和具缘纹孔对组成的毛细管体系，另外纤维方向上的垂直树脂道，射线方向上的射线管胞的内腔和水平树脂道也是流体的移动路径。具缘纹孔对位于相邻的管胞之间，由纹孔缘、纹孔腔和纹孔膜组成。纹孔缘的开口部位称为纹孔口。纹孔膜的中间增厚的部分称为纹孔塞，一般呈圆形或椭圆形。水分不能透过纹孔塞，而是通过纹孔塞周围的呈网状的塞缘。纹孔塞和纹孔缘组成纹孔孔膜。当木材芯材化或是进行干燥的过程中，纹孔塞移向一侧的纹孔口，形成闭塞纹孔，阻碍水分或流体的移动（如图2-22）。

阔叶树材中水分或其他流体的移动路径主要是导管，另外还包括管胞、导管状管胞等。阔叶树材的导管上具有穿孔，所以在纤维方向上水分可以通过穿孔从一个导管进入纵向邻接的另一个导管。横向上，水分可以通过导管壁上的纹孔移动。阔叶树材的导管中经常含有侵填体，这是阻碍木材中水分的移动的重要因素。另外，闭塞纹孔以及纹孔膜上抽提物的存在也是常见的影响水分移动的因素。在具有这些特征的木材中，水分的主要移动途径是扩散，干燥不容易进行。例如，红衫、橡木和胡桃木的芯材几乎无法渗透。一般，所有树种的边材都是可以渗透的。

2.4.2　毛细管张力对木材大毛细管内水分移动的作用

木材干燥初期，木材内部被水分饱和，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（capillarytensileforce）的情况下，自由水才移动，所以了解毛细作用对木材干燥过程中大毛细管内水分移动的影响有很重要的作用。图2-23给出了木材内部自由水蒸发的过程。

如图2-23所示，（a）表示木材毛细管内水分的受力情况，由于毛细作用，水-空气界面上的表面张力对毛细管内部水分产生一个向上的拉力（向上的箭头表示）。当处于平衡状态的时候，毛细管内部水分会产生一个大小相等而相反的力而达到平衡（向下的箭头），水作用在毛细管壁和分界面上的拉力方向向内。在绝大多数情况下，由于水分的重量相比毛细管张力小很多，所以水分的重量可以忽略。

干燥初期，毛细管表面的自由水开始在其弯月面向空气中蒸发［图2-23（b）］，此时弯月面的曲率半径ri比较大，所以此时的毛细管张力比较小。随着干燥的进行，木材内部的水分继续蒸发，曲率半径继续减小，当曲率半径减小到毛细管口大小的时候［图2-23（c）］，曲率半径不再减少。此后，随着干燥的继续进行，毛细管内部水分继续蒸发，曲率半径反而变大，毛细管张力也相应变小［图2-23（d）］。从图2-23中可以看出，当曲率半径与毛细管口半径大小一样的时候，毛细管张力达到最大［图2-23（c）］。

图2-23（e）到图2-23（l）给出了生材干燥过程中，毛细管内部水分移出过程。最初，木材内部空腔，除了有两个不同大小的空气泡外，大部分被水填充［图2-23（e）］。此时，干燥只在暴露在空气中的木材表面进行，细胞其余三部分都被封闭。当大毛细管水通过敞开的细胞蒸发出去，空气-水分界面上即形成一个个凹的弯月面，开始阶段由于弯月面的半径较大，故毛细张力较小。

当表层细胞腔里的水分排除殆尽，蒸发面就转移到纹孔口［图2-23（f）］。此时蒸发表面的曲率半径减小并接近内部溶解的大气泡的半径。随着水分的进一步蒸发，毛细管内部半径减小，毛细管张力增大，这个张力不但作用在毛细管管壁，还作用在整个木材内部的所有气体-液体界面上。由于气体气泡的半径较大，所以其内部的表面张力比较小，使得气泡发生膨胀，而且气泡半径越大，其周围的张力越小，故大的气泡先行膨胀，大气泡所在的细胞先行排空［图2-23（h）］。气泡周围的水分主要通过相邻细胞向蒸发表面迁移，因此，木材内部深处细胞的大毛细管水的排出可能性比靠近表层的领先，这就是木材干燥后出现湿区现象的原因。

当大半径的气泡充分膨胀，其所在的细胞排空，接着，弯月面就向纹孔内部推移，液面曲率半径又减小，系统内毛细张力进一步增大以致足以使小的气泡膨胀［图2-23（i）］，迫使水分沿着相邻细胞壁和纹孔通道迁移，最后从蒸发面蒸发出去［图2-23（j）］。在蒸发面与弯月面向纹孔通道内部推移的过程中，由于临近细胞没有气泡，无法以气泡增大的方法缓解这个张力，毛细张力进一步增大。当蒸发面推移到充满水的细胞腔的时候，蒸发面即向其中扩展［图2-23（k）］，结果曲率半径增大，毛细张力逐步减小，此时，水分一方面从表层向大气中蒸发，一方面以水蒸气的形式由内向外移动［图2-23（l）］，按照这个方式，木材内部大毛细管内所有水分从木材中排出。

2.5　湿空气

2.5.1　湿空气的性质

干燥介质在木材干燥过程中起到非常重要的作用，它不仅将热量传递给木材，同时带走木材干燥出来的水分，其特性直接影响到木材干燥质量和干燥效率。通常来讲，木材干燥介质均以湿空气为主。湿空气是指含有水蒸气的空气，也就是说湿空气是干空气和水蒸气的混合物。干空气的成分比较稳定，而湿空气中水蒸气的含量会随着环境的变化而发生改变。一般来说，湿空气中水蒸气的分压力通常都很低，因此可按理想气体进行计算。所以，整个湿空气也可以按理想气体进行计算。

（1）湿空气的水蒸气分压力　根据道尔顿定律，湿空气的总压力P等于干空气分压Pa与水蒸气分压Pv之和，即：

P=Pa+Pv　　（2-11）

（2）相对湿度　湿空气中水蒸气的实际含量（绝对湿度）ρv与同温下的最大可能含量（湿容量）ρs的比值（附录4），称为湿空气的相对湿度，用φ（％）表示，即：

式中　ρv——绝对湿度，即每立方米湿空气中所含的水蒸气质量，kg/m3，它数值上等于湿空气中水蒸气的密度；

ρs——湿容量，即饱和湿空气的绝对湿度，kg/m3。

（3）湿含量（d）含有1kg的干空气的湿空气中含有水蒸气的质量（g）。

（4）湿空气的热含量（I）含有1kg干空气的湿空气中含有的热量（kJ/kg）。

I=ia+0.001div　　（2-14）

式中　ia，iv——分别为干空气和水蒸气的热含量，kJ/kg。

（5）露点温度　如果使未饱和湿空气的水蒸气含量不变，即pv不变，而将它逐渐冷却至pv所对应的饱和温度，它就变成了饱和湿空气。这时若继续冷却，将有部分水蒸气凝结为水而从空气中析出，在容器壁上将出现露珠，这种现象称为结露。通常把水蒸气分压pv所对应的饱和温度ts，称为湿空气的露点温度，用符号tp表示。

2.5.2　相对湿度的测定原理

相对湿度是表示湿空气的成分的重要参数，是衡量干燥介质吸收水分的重要参数，准确测量湿空气的相对湿度，对干燥过程的精确控制有着十分重要的作用。相对湿度的测定方法有许多种，常规干燥过程中多采用干-湿球式湿度计来测量，如图2-24所示。它由两支相同的玻璃温度计组成，其中一支是干球温度计，用来测定湿空气的温度，称为干球温度，用t表示。另一支是包有湿纱布（其纱布尾部浸入水中）的湿球温度计，它所显示的是湿纱布的水温，称为湿球温度，用tw表示。将干-湿球式湿度计置于被测空间，如果它周围的空气是未饱和的（φ<1），那么纱布表面的水分就会从本身吸热而不断蒸发，因而使水温下降，于是空气与水温间有了温差，这一温差促使周围空气向湿纱布传热。当水温下降到一定的程度，使水蒸发所消耗的热量正好等于周围空气所传给的热量时，湿球水温不再下降而维持某一稳定的数值，此时湿球温度计的度数，即为湿球温度tw。通常湿球温度总是低于干球温度，而且空气的相对湿度φ值越小，水分蒸发越快，湿球温度就比干球温度低得越多。相反，空气的φ值越大，干、湿球的温差就越小，当φ=100％时，干、湿球的温度相等，二者的温差为零。由此看出，干、湿球的温差可以表征空气的相对湿度，它们之间的关系可以写成一般的函数关系：

φ=f（t，tw）　　（2-15）

但这个函数关系没有简单的数学表达式，通常由实验测得大量的数据后，经过整理制成图表（图2-25）。根据测定的干球温度和湿球温度就可以从附录4中查出湿空气的相对湿度φ值。

从湿球温度的形成过程可以看出，由于湿球纱布上的水不断蒸发，紧靠湿球表面将形成很薄的饱和湿空气层（φ=100％），这层饱和湿空气的温度非常接近水温，即近似等于湿球温度tw。这一饱和湿空气层的形成过程，可以近似认为是等焓过程，这是因为湿球处吸热的焓增，正好等于饱和湿空气层附近空气的放热焓降，二者互相抵销，其总的效果是湿球附近周围空气的焓H2，等于初态（即被测湿空气）的焓H1。即：

H2=H1　　（2-16）

同时从湿球温度的形成过程还可看出，湿球周围饱和湿空气层的蒸汽分压大于被测湿空气的蒸汽分压，故通常情况下（φ<100％），湿球温度高于露点温度，而低于干球温度。

必须指出，湿球温度计的读数和掠过温度计的风速有关，在空气湿度不变的情况下，当风速增加时，湿球温度计的读数将有所下降，但实验表明，若风速在2～40m/s的范围内，风速对湿球的影响很小，可忽略不计。

2.5.3　湿空气的I-d图

为了应用方便，湿空气的温度（t）、相对湿度（φ）、湿含量（d）、蒸汽分压（Pv）及热含量（I）等状态参数之间的关系可以用线图来表示，即湿空气的I-d图。图2-26所示为I-d图的样图（附录5和附录6），它的纵坐标为热含量（I），横坐标为湿含量（d），图中的各组线系由湿空气的状态参数组成的。湿空气的I-d图不仅可以确定每一个状态参数的数值，而且还可以直观地描述湿空气的加热和冷却过程、木材干燥过程中的水分蒸发过程以及不同状态湿空气的混合过程。

（1）湿空气的加热与冷却过程　如图2-27所示，从A→B为湿空气的加热过程，从A→C为湿空气的冷却过程。可以看出，在湿空气的加热和冷却过程中，其湿含量不变。

当湿空气继续冷却到P点时，达到饱和状态，此时湿空气的温度（tp）称之为露点温度。

（2）木材干燥过程中水分蒸发过程　为了能用湿空气的I-d图描述水分蒸发过程，假设木材干燥过程中水分蒸发过程为绝热过程，这样就可以用湿空气的I-d图描述水分蒸发过程。如图2-28所示，从A→D为水分蒸发过程。可以看出，在绝热条件下的木材干燥过程中水分蒸发过程，其热含量不变。

当水分蒸发过程继续进行到M点时，湿空气状态达到饱和状态，此时湿空气的温度（tM）称之为冷却极限温度。

湿空气冷却极限温度（tM）是指在绝热条件下水分蒸发时湿空气达到饱和状态时的温度。湿空气冷却极限温度（tM）也叫干燥介质的湿球温度。

（3）两种不同状态介质的混合　设nkg干燥室循环介质，其状态为2（I2，d2），与1kg鲜空气，其状态为0（I0，d0），相混合，混合后介质状态为C（Ic，dc）。根据混合前后热含量和湿含量不变的原则，可以得出下式：

I0+nI2=（1+n）Ic　　（2-17）

d0+nd2=（1+n）dc　　（2-18）

上式为直线方程式，介质混合后的状态点一定落在0—2这条直线上。图2-29为两种状态干燥介质混合示意图，点C把直线0—2分为两段，两段的比值为n，点C靠近分量较大的状态点，如n>1，则靠近点2。

2.6　过热蒸汽

2.6.1　饱和蒸汽与过热蒸汽

（1）蒸气　指离液态不远的气态物质。它们被压缩或冷却时，很容易变成液体。如水、氟利昂、氨及酒精等的气态物质。

（2）水蒸气　水蒸气简称蒸汽。由于蒸汽的载热能力强、价廉、易获得、不污染环境，故工业上大量应用。

（3）饱和状态　水在一定温度下的密闭容器中蒸发时，由于蒸汽分子的紊乱运动，既有离开水面的，也有返回液体的。当达到离开液面的分子数与返回液面的分子数相等时的气液动平衡状态，称为饱和状态。

（4）饱和蒸汽与饱和水　处于饱和状态下的蒸汽和水分别称为饱和蒸汽和饱和水。

（5）饱和压力和饱和温度　饱和状态时的压力和温度分别称为饱和压力（Ps）和饱和温度（ts）。且二者之间互为函数，可用粗略的经验公式表示两者间的关系，即：

式（2-19）中饱和压力Ps的单位为标准大气压力（1atm=1.0133×105Pa），饱和温度ts的单位为℃。

（6）汽化潜热　1kg饱和水变为饱和蒸汽所吸收的热量（或者1kg饱和蒸汽变为饱和水所放出的热量）称为汽化潜热，用γ表示，单位kJ/kg。由饱和水变为饱和蒸汽的过程称为汽化阶段。整个汽化阶段始终维持饱和温度（ts）不变。附录7和附录8中列出了不同温度和不同压力下水的汽化潜热。

（7）干饱和蒸汽与湿饱和蒸汽　完全不含水的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽。在汽化过程中饱和水与饱和蒸汽的混合物称为湿饱和蒸汽。

（8）过热蒸汽　温度高于同压下饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽。例如标准大气压下的饱和温度ts=100℃，饱和压力Ps=0.1013MPa，则同压下大于100℃的蒸汽均为过热蒸汽。在锅炉的过热器中对干饱和蒸汽继续加热就变成过热蒸汽。

2.6.2　过热蒸汽的相对湿度

过热蒸汽与湿空气作干燥介质相比，其主要特征在于相对湿度的含义不同。由于过热蒸汽干燥时木材干燥室内充满了蒸汽，严格地说不存在空气相对湿度的概念。但蒸汽的过热度（即离饱和温度的程度）不同，它吸收水分的能力就不同，过热温度越高（相应的饱和压力越大），吸湿能力就越强。为反映过热蒸汽的吸湿能力仍可借用湿空气相对湿度的概念，但它与湿空气的相对湿度的含义不同。过热蒸汽的相对湿度反映它偏离饱和状态的程度，故有的文献又将过热蒸汽的相对湿度称为饱和度。

若以φ1表示过热蒸汽的相对湿度，则：

式中　Ps——干燥介质温度所对应的饱和压力；

P——干燥介质的绝对压力。

由于干燥介质温度与它对应的饱和压力Ps互为函数，由式（2-20）可看出：湿空气作干燥介质时，其相对湿度与空气温度和空气中的水蒸气含量有关；而以过热蒸汽作干燥介质时，其相对湿度与过热蒸汽的温度和干燥介质的压力有关。

2.6.3　过热蒸汽作干燥介质的主要优点

①节能效果显著　因干燥室（机）排出的废气全部是蒸汽，可以用冷凝的方法回收蒸汽的汽化潜热，故热效率高，有时可高达90％。据国际干燥界咨询委员会主席A.S.Mujumdar教授介绍，过热蒸汽干燥木材的能耗大约是空气干燥能耗的50％左右。

②干燥速率快　由于过热蒸汽的比热和传热系数比空气大，同时过热蒸汽干燥介质中的传质阻力可忽略不计，故水分的迁移速度快，干燥周期可明显缩短。

③干燥质量好　用过热蒸汽作干燥介质时，由于物料表面湿润、干燥应力小，不易产生开裂、变形等干燥缺陷；同时由于过热蒸汽干燥无氧化反应，木材颜色不会退变，故干燥品质好。

当然，过热蒸汽干燥也存在系统比较复杂、投资大，干燥室容量较小等缺点。因为过热蒸汽干燥室要求密封性好，同时要添置排汽回收装置，其设备投资比常规干燥高25％～30％。

2.7　木材在气态介质中的对流干燥过程

2.7.1　木材的对流干燥过程

木材在气流介质中的干燥过程主要包括预热阶段、等速干燥阶段和减速干燥阶段，如图2-30所示。

（1）预热阶段（A—B段）锯材干燥开始时首先要对锯材进行预热处理，目的是：提高木材温度使其能够均匀热透；软化木材，消除应力；打通水分通路；使含水率梯度和温度梯度方向一致。其特点是使木材均匀热透；不蒸发水分，但可以少量吸湿。

（2）等速干燥阶段（B—C段）此阶段主要是自由水的干燥过程。在等速干燥阶段，由木材表面蒸发自由水，表层的含水率保持在接近于纤维饱和点的水平，此时有足够数量的自由水供表面蒸发，干燥速度固定不变。只要介质的温度、湿度和循环速度保持不变，含水率的降低速度也就保持不变。由于木材表层的自由水蒸发完毕后，内部还有自由水，所以曲线图上向下倾斜直线线段的终了，并不等于说木材内的自由水已经完全排出。在等速干燥阶段内，空气温度越高，湿度越低时，自由水蒸发越强烈。

（3）减速干燥阶段（C—D段）在减速干燥阶段，表层含水率低于纤维饱和点，由内层向表面移动的水分的数量小于表面的蒸发强度，干燥速度逐渐缓慢，到干燥终了时等于零，达到平衡含水率。因此，纤维饱和点以下的干燥阶段叫减速干燥阶段。

等速干燥期结束，减速干燥期开始这一瞬间的含水率，叫作临界含水率MCC。由于锯材厚度上含水率的分布不均匀，临界含水率常常大于纤维饱和点。含水率越不均匀，MCC值就越大。干燥速度、被干锯材的厚度和木材密度的加大，都会引起含水率在干燥过程中沿锯材厚度上的不均匀，并使MCC的数值增大。干燥速度越大，被干锯材越厚，密度越大，临界含水率就越与初含水率接近，等速干燥期就越短。

2.7.2　干燥过程中木材水分的蒸发和移动

在以湿空气为介质的对流木材干燥过程中，可分为木材表面的水分蒸发和木材内部的水分移动过程。木材干燥过程必须先使水分从木材内部向表面移动，木材表面水分在对流作用下蒸发时，木材表面及以下邻近层自由水首先蒸发。大毛细管系统内的自由水先移动和蒸发，随后是微毛细管系统也开始排出水分。由于木材具有一定厚度，在木材内部与表层间出现水分梯度——内部高外部低的含水率梯度，促使水分进一步向外移动。水分的移动是由许多因素共同作用而影响的。

（1）木材干燥过程中的水分蒸发

所谓蒸发是指在液体表面进行得比较缓慢的汽化现象。蒸发在任何温度下都可以进行，它是由于液体表面上具有较大动能的分子，克服了邻近分子的吸引力，脱离液体表面进入周围空气而引起的。蒸发的强度主要取决于液体的温度，液体的温度越高，分子的动能越大，蒸发过程就越快。此外，在相同温度下，蒸发的速度还与蒸发表面积的大小及液面上的蒸汽密度（或压力大小）有关。液体表面积越大，蒸发过程越快，若加大液面上的气流速度，使蒸汽密度减少，也能使蒸发过程加快。水分蒸发时，只有当水面或湿物体表面上的空气没有被水分饱和时（相对湿度<100％）才可发生。相对湿度越小，表明空气中水蒸气分压越小，蒸发速度就越快。在蒸发表面上常有一定厚度的薄层被蒸汽所饱和的空气，表面上气流速度越大薄层的厚度越小，从而蒸发也越快，因此表面气流速度越大，蒸发越快。

具体到木材干燥过程中，主要是在木材表面的蒸发过程。湿木材表面的水分蒸发时，当表层含水率高于纤维饱和点时，与自由水的水分蒸发情况相同；木材温度高时，木材表层的水分蒸发强度加大，湿空气流速大时，水分蒸发快，木材干燥速度大。但当表层含水率降至纤维饱和点时，情况就不同了，此时木材表面的水蒸气压力低于同温度下自由水面的水蒸气分压，蒸发强度降低，木材干燥过程变慢。木材中的水分蒸发不仅发生在木材的表面，在木材内部也有发生。即使在木材含水率很高时，木材孔隙内也还可能有许多气泡，它们构成一个个小的蒸发面，随着木材逐渐干燥，这些小蒸发面即与主蒸发面会合，如图2-31所示。

（2）木材干燥过程中的水分移动

①自由水移动　木材表层细胞中的水分蒸发引起毛细管力，从而使木材中的自由水通过细胞腔和纹孔构成的通道移动；这个毛细管力对木材表层邻近内层的自由水形成一个拉力。对自由水移动影响最大的是木材的渗透性。毛细管自由水移动所要求的能量最小，也是各种水分移动机理中最快的方式。这也是为什么充满水的渗透性好的边材比芯材干燥快的主要原因。毛细管水分的流动在木材纹理方向（纵向）比横向（弦、径向）快至少50倍。自由水的移动只能发生在有自由水存在时，即含水率高于纤维饱和点时；同时也要求从表层或蒸发区域到邻近内部区域有连续的水分存在。因此，在高含水率时自由水移动较快。另一个影响自由水移动的因素是木材的温度，木材温度高时，水分的黏性降低，因此毛细作用力相同时水分移动会较快。

②蒸汽扩散　水蒸气以扩散的方式移动，在这个过程中水分子在各个方向上随机运动。如果一个区域的分子浓度较高，另一个区域的分子浓度较低时，离开高浓度区域的分子较进入高浓度区域的分子要多，因此含水率要降低；同样，如果许多水分子被吸附、凝结或从其他区域移动过来时，扩散进入的水分子要比扩散出去的多，造成在某一方向上水分的移动。水蒸气扩散速率与扩散分子的浓度差成正比，或更精确一些，与水蒸气的压差成正比。木材含水率低于纤维饱和点时，木材中蒸汽压随含水率升高而增大；当含水率高于纤维饱和点时，区域内部不会有明显的蒸汽压梯度，也就是说，当含水率高于纤维饱和点时不会有水蒸气移动的发生。

因为要有连续的流动通道使蒸汽从一个区域扩散至另一个区域，因此纯的蒸汽扩散只能在渗透性好的木材中才可能发生。渗透性是由木材细胞间的连接通道形成的，与木材的硬度或强度无关，只与这些连接通道的开度有关。液态或气态的水分在渗透性木材中移动快，因此干燥快；而在渗透性不好的木材中，大部分或全部通道都被阻塞了，液态或气态的水分的移动都会受阻。水蒸气的扩散是与吸着水的扩散同时发生的。大部分树种的边材渗透性较好，而针叶材的芯材渗透性通常较差。

③吸着水扩散　吸着水是通过细胞壁进行扩散的。与蒸汽扩散一样，较干的位置上离开的水分子较少，而湿的位置离开的水分子较多。木材中发生了从湿的区域到干的区域水分的移动。木材表面水分蒸发使表层成为最为干燥的区域，因此水分从湿的芯层向干的表层移动，并且形成了含水率梯度。吸着水扩散的驱动力与蒸汽扩散相同，都是蒸汽压梯度。

④吸着水-蒸汽组合扩散　木材干燥中吸着水扩散和水蒸气扩散都不是单独进行的。在水分从木材中心向表层移动过程中，大部分水分是按下述顺序移动的：在细胞壁中以吸着水形式扩散——蒸发到细胞腔——水蒸气扩散通过细胞腔——下一细胞壁吸附——吸着水以扩散形式通过细胞壁——直到达到木材的表层。

当干燥发生于木材的端面时，迁移的水分通过的细胞壁较少，并且大部分的迁移是通过细胞腔，以水蒸气扩散的方式快速移动，因此，木材端面的干燥比侧面要快得多。密度大（重）的木材含有较高比例的细胞壁，而不像低密度（轻）木材含有较大比例的细胞腔；吸着水通过细胞壁较慢，因此低于纤维饱和点时密度大的木材干燥速率比密度小的木材要低很多。干燥密度大的木材因为阻力较大，会形成较大的含水率梯度，并且会形成较大的干燥应力，因此干燥密度大的木材比干燥密度小的木材降等的可能性更大。

吸着水和水蒸气扩散途径示于图2-32中。水分子以蒸汽形式通过细胞腔凝结，以吸着水形式通过细胞壁再到下一个细胞腔，这个过程一直重复直到水分子到达木材的表面（图2-32中A所示）。水分子以水蒸气的形式通过细胞腔和纹孔，以吸着水形式通过纹孔膜或以蒸汽形式通过纹孔膜中的微空隙（图2-32中B所示）。水分子以吸着水的形式连续从一个细胞壁到下一个细胞壁（图2-32中C所示）。

水分在纵向上的扩散比横向（弦、径向）快10～15倍左右。而垂直于生长轮方向的径向扩散又比平行于生长轮方向的弦向的扩散快一些，因为水分沿木射线的方向移动较快。这就是为什么弦向板（厚度为径向）较径向板干燥快的原因。虽然在纵向的水分扩散比横向快很多，但在实际干燥中这只能在很短的时间内起作用。通常木材的长度方向远比横向大得多，因此大部分的水分都是通过木材横向的宽面而蒸发的。当木材的宽度与厚度相差不大时，比如方材，干燥过程中的水分蒸发过程在宽度和厚度方向同时进行。

水分的扩散速率很大程度上取决于细胞壁的渗透性和它的厚度，因此渗透性好的树种干燥速度明显高于渗透性差的树种，且当木材的密度增加时，水分扩散的速率下降；且木材中的侵填体及硬质沉积物也会导致水分通道的堵塞，从而降低水分的移动速率。

2.7.3　影响木材干燥速率的主要因素

影响干燥过程的因子主要包括：湿空气的温度、湿空气的相对湿度（或干湿球温差、平衡含水率）和气流速度。

（1）温度　干燥中的温度又称为干球温度，因为温度是用一个干的传感器（通常用电传感器）测量的。在锯材干燥中所指的温度是进入材堆时的空气温度，也是干燥室中的最高温度，是干燥室中最易造成干燥缺陷的温度。

木材温度升高内部水分移动速度快，干燥速度快，且干燥质量较均匀。但温度越高，锯材的变形量越大，且木材的强度削弱越厉害，尤其是含水率较高时容易出现开裂的情况下木材温度更为重要。干燥温度还影响锯材的变色及虫害，这些缺陷发生的最适宜温度为27～44℃，可通过干燥前对锯材进行化学处理或将锯材用55℃以上的温度处理24h将虫、虫卵及霉菌杀死。锯材含水率还很高时干燥温度超过71℃，不论时间长短都会对木材强度造成损失；如果干燥质量优先考虑木材强度的话，干燥前期温度不要过高。

（2）相对湿度　相对湿度是指空气中所含水分与同温度下空气所能包含最大水分量的比值，通常用百分比表示。一般用湿球温度来度量（在传感器上覆湿盖纱布后的温度），湿球温度除在相对湿度为100％时与干球温度相同外，都低于干球温度。给定干球温度和干湿球温差后可根据空气的热力学特性表查得相对湿度值。有些控制系统采用薄纤维片作为湿度传感器，纤维随空气湿度的变化而吸收或放出水分，然后以此纤维片的电阻反映空气的相对湿度。

在温度与气流速度相同的情况下，相对湿度越低，毛细管力越大。相对湿度低时，由于使木材表层含水率降低了，使含水率梯度增大了，从而增加了水分的扩散，锯材干燥也增快。相对湿度低时对于防止木材干燥的变色有益，但相对湿度如果过低，就会造成干燥过快、开裂及蜂窝裂等干燥缺陷的发生或加重。在干燥后期用较低的相对湿度可减少变形，但相对湿度过低时会加大锯材的干缩，反而加大变形。

湿空气在穿过材堆时，相对湿度会因空气吸收木材蒸发的水分及温度的下降而上升，材堆空气入口处的相对湿度最小，干燥强度最大。

（3）气流速度　气流速度与温度和相对湿度一样在锯材干燥过程中极为重要，含水率在纤维饱和点以上时，气流速度越大干燥速度越快（图2-33）；材堆中气流速度越大，材堆内相对湿度越均匀，但同时也增加了开裂的风险性。含水率在20％以下时，气流速度对干燥速率与干燥质量影响不显著，因为此时木材干燥速率由水分在木材内部移动的速度决定，而不是由表层水分蒸发的速度决定的。从图2-33中可看出，锯材含水率由大到小时，风速对干燥速度的影响也由大到小变化。基于此，可在干燥末期采用降低风速的方式来节省干燥能耗。高含水率时气流速度与相对湿度间存在直接的关系，如果气流速度降低的话，就降低了干燥速度，从而可以降低相对湿度来增加干燥速度进行平衡；也就是说可利用气流速度与相对湿度的不同组合来达到要求的干燥速率。

2.8　木材干燥过程中的应力与变形

2.8.1　产生应力的原因与应力的种类

（1）干燥过程中木材产生内应力的原因

①木材构造上的各向异性　木材线性干缩是指顺纹理方向、横纹理方向（径向和弦向）的干缩。木材顺纹理方向干缩率很小，为0.1％～0.2％，径向干缩率为3％～6％，弦向干缩率为6％～12％，弦向干缩为径向干缩的两倍。木材三个方向干缩差异是干燥过程中产生内应力的一个主要原因。

②木材断面上含水率分布不均匀　含水率梯度存在于木材干燥的全过程。由于木材在干燥过程中木材断面上含水率分布不均匀，以及各部分收缩量的差异是干燥过程中产生内应力的另一个主要原因。

（2）干燥过程中木材产生内应力的种类

①湿应力（弹性应力）是因锯材断面上各个区域的不均匀干缩所引起，它带有时间性，随着含水率梯度的消失，应力消失。此种应力是绝对弹性体的一种特征。

②残余应力是因木材内部所产生的残余变形而引起的，它与湿应力不同，在含水率平衡时并不消失，在干燥过程中和结束后均会发生。

③全应力。全应力=湿应力+残余应力

干燥过程中影响干燥质量的是全应力，干燥结束后继续影响木制品质量的是残余应力。

2.8.2　木材干燥中产生应力与变形的过程

木材在室干过程中，内应力的变化过程可分为四个阶段，如图2-34所示。

（1）干燥开始阶段　此阶段木材各部分的含水率都在纤维饱和点以上，梳齿形试验片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，此时木材内既不存在湿应力，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纤维饱和点，外层的自由水已蒸发完毕，正在因排出吸着水而干缩。此阶段的木材内应力为外拉内压应力。

从梳齿形试验片上可以看出，表面几层梳齿由于干缩而尺寸减小，内部各层梳齿仍保持原来状态。这时表层干缩，而内层还未能收缩，于是表面各层因受到内部的拉伸而产生拉应力，内部各层则产生压应力。

在这一阶段中若把从木材上锯下来的试验片锯成两片，可以看到，刚刚锯开时它们各自向外弯曲。把这两片放入恒温烘箱中或放在通风处，使含水率进一步降低并变得均匀。如果木材是理想的弹性体，在含水率分布均匀后，内应力即可消失试片齿形变为平直，尺寸恢复原样。但木材既具有弹性，又具塑性。当木材内刚一发生内应力，同时也就出现了塑化变形。由于表层木材的尺寸，已经在一定程度上塑化固定，内层在含水率减少时，还可以自由干缩。因此，在两片的含水率降低，并且分布均匀后，两片的形状就变成和原来的形状相反的样子，即向内弯曲。

在木材室干过程中，此阶段需采取前期处理来提高木材外层的含水率，使已固化的部分重新变化恢复可塑，使木材应力得以削弱和缓和。

（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纤维饱和点，若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。

若把试验片锯成梳齿形，各个梳齿的长短暂时是一样的，但在含水率下降后，中间的一些梳齿将因干燥而变短。若把试验片锯成两片，两片当时保持平直状态，但在含水率降低并分布均匀后，原来在内层的木材由于干缩变短，使得两片向内弯曲。这就表明，在这个阶段内尽管暂时观察不到被干木材中的内应力，但在干燥结束后，木材中的残余应力仍将表现出来。

在室干工艺中，当被干木材干燥到这一阶段时，通常对被干木材进行必要的、及时的、正确的中间处理，使已经塑化固定的外层木材重新成为可塑，从而使外层的木材得到补充收缩。

（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出而收缩，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。

此时若把试验片锯成梳齿状，内层的一些齿在脱离了外层的束缚后，得以自由干缩，它们的尺寸比外层的短一些。若把试验片锯成两片，刚锯开时两片向内弯曲，当它们的含水率继续进一步降低并分布均匀后，向内弯曲的程度加强。

在木材室干工艺中，当被干木材干燥到此阶段，木材含水率已降低到所要求的规定标准时，必须进行正确的平衡处理，以消除木材的残余应力。