2　木材干燥的基礎知識

2.1　木材學基礎

木材是人們十分喜愛的材料，它是構成樹木的主體。在目前這個原材料匱乏，價格上漲的時代，木材——唯一可再生的材料，將日益受到人類的重視并得到更廣泛的應用。木材干燥過程中產生的很多缺陷，以及木材內部水分移動過程均與木材的組成結構有很大的關系，所以，了解木材的構造對掌握木材干燥意義深遠。

2.1.1　木材的宏觀構造

2.1.1.1　木材的定義

木材是構成樹干、樹枝及樹根的主要部分的植物組織整體，是樹木在許多年生長過程中形成的非均質材料。位于木質部和韌皮部之間的形成層通過細胞分裂周期性地向內生成木質部，向外生成韌皮部。每年新形成的木質部分布于樹干的周圍，構成邊材。邊材可貯存淀粉及其他養料。隨著樹木的生長，邊材逐漸轉變為芯材。芯材內不再有活的組織，也就是說，化學性質已穩定不變。但是，在天然或人為的氣候條件下，會產生物理性質的變化。

在一個生長期中長成的木材稱為一個年輪或一個生長層。這一層中先長成的叫早材。早材的細胞較大，木材密度較小，后長成的叫晚材，晚材的細胞較小，木材密度較大。

2.1.1.2　木材的組織結構

樹木的年輪寬度、年輪的規則性，還有早材及晚材的比例等，對非均勻結構木材來說，都會影響木材的物理和力學性能，都是決定木材質量的因素。非均勻結構木材的早材和晚材的寬度比例及年輪寬度能決定木材的結構。如晚材比例小于早材，木材被稱為輕質材；反之，則稱作重質材。

針葉材（裸子植物的樹木）和闊葉材（被子植物的樹木）比較，早、晚材寬度和木材結構的關系相反。針葉材的早材較寬，是木材的主要部分；而非均勻結構闊葉材的晚材較寬，構成木材的主要部分。然而，不管是針葉材還是闊葉材，重質材的密度一般都比較大。許多樹種的芯材和邊材有顯著區別。這是因為芯材除結構發生變化外，其化學成分也有了改變。芯材中的細胞已不再作為樹液的輸導器官，原來供樹液上行的導管已或多或少被樹脂或樹膠所堵塞，并透入了單寧（鞣酸）（如圖2-1所示）。樹種不同，木材的芯材化程度及邊材的寬度差別很大。即使樹種相同，如產地不同，也有一定的區別。

2.1.1.3　木材的切面

木質細胞的排列不是平行于樹干的軸心，就是垂直于樹干的軸心，因此，木材的木質結構可分三個主要方向，軸向、徑向和弦向（圖2-2）。

軸向，即樹干的長度方向，也就是樹干對稱軸心的方向。垂直于軸向切割木材所得的切面為橫斷面，即木材端面；徑向，即樹干橫斷面（圓形）的直徑方向，沿著該方向切割，即得對開材；弦向，垂直于徑向，即生長年輪的切線方向。

2.1.2　木材的微觀構造

絕大多數木材細胞都是由兩部分構成的——細胞壁和細胞腔（圖2-3）。盡管成熟細胞功能的發揮依賴于細胞壁，不過細胞腔在細胞內水分傳導和計算細胞的壁腔比中都不可忽略。

2.1.2.1　木材細胞壁

細胞壁在木材中發揮著至關重要的作用，與細胞腔不同，細胞壁的結構具有高度規律性。不同細胞之間，不同樹種之間，甚至針葉材與闊葉材之間，其細胞壁結構都具有高度相似性。木材細胞壁主要由兩部分組成——初生壁（primary wall）和次生壁（secondary wall）（圖2-4），每部分又由三種高分子化合物構成，分別是纖維素（cellulose）（有著特定的分布與構成形式）、半纖維素以及一定量的基體物質或結殼物質（通常在初生壁內為果膠，次生壁內為木質素）。三種化學成分總量約占木材的90％以上，是構成木材的主要化學成分。

2.1.2.2　紋孔

在木材中，關于細胞壁的種種討論離不開這樣一個問題——活樹體的細胞之間是依靠細胞壁上的何種結構實現信息交流的。研究表明，這種結構為兩個相鄰細胞間細胞壁的凹陷部分，稱之為紋孔對（pit-pairs）或者就稱為紋孔（pit），它是木材結構的重要組成部分，是應用技術手段處理木材（阻燃、防腐、染色等）時不可忽略的影響因素。紋孔主要由紋孔膜（pit membrane）、紋孔口（pit aperture）和紋孔腔（pit chamber）三部分組成（圖2-4）。紋孔膜是紋孔形成時兩個相鄰細胞間剩余的初生壁部分，主要成分為碳水化合物（糖類），而非磷脂；紋孔口連接著細胞腔與紋孔腔，而紋孔腔則是紋孔內中空的部分。紋孔的類型、數量、大小以及在細胞壁上所占的相對比例可以作為識別某些木材的標志，這些因素在某些場合下還可進一步影響木材的材性，比如說影響木材表面與涂料間的相互作用，等等。

紋孔通常成對出現在兩個相鄰的細胞間。在相鄰細胞的細胞壁上，紋孔的形成過程是分別進行的，但形成的部位卻是相互對應的，這樣形成的兩個紋孔恰好能配成一對，即紋孔對。但某些細胞中，紋孔在形成時其相鄰細胞對應的位置并沒有另一紋孔的形成，最后只在一個細胞的壁上形成紋孔，這種紋孔稱為盲紋孔（blind pit），在木材中不多見。在沒有其他信息的情況下，紋孔的類型可以作為一個判別細胞類型的標志，此外，還能幫助預測細胞的行為表現，特別是在涉及流體滲透的場合下，紋孔發揮著重要作用。根據紋孔的結構，紋孔可分為三類：單紋孔（simple pit）、具緣紋孔（bordered pit）和半具緣紋孔（half-bordered pit），如圖2-6所示。

具緣紋孔紋孔腔上方的次生壁呈拱形，而且紋孔口通常比較小，或者與紋孔腔呈現出不同的形狀。紋孔腔上方呈拱形的次生壁稱之為紋孔緣（border）（圖2-4和圖2-5）。從正面看，具緣紋孔通常呈圓拱形，形狀酷似面包圈，紋孔正中間有一個杏仁狀的孔洞——紋孔口。在剖面圖上，具緣紋孔像一對“V”字形，“V”字的開口端彼此相對（圖2-4和圖2-5）。此時，“V”字形的輪廓就代表著紋孔緣、紋孔腔上方呈拱形的次生壁。具緣紋孔多出現在兩個導管細胞間，其他細胞中也會偶爾出現，但通常都是一些厚壁細胞。

單紋孔沒有紋孔緣，紋孔腔的寬度也不發生變化。相鄰兩個細胞的單紋孔在大小和形狀上都是相同的。單紋孔通常存在于薄壁細胞間，從正面看，呈一個簡單的圓孔形。

半具緣紋孔出現在導管細胞與薄壁細胞間，由一個單紋孔和一個具緣紋孔組成。單紋孔存在于薄壁細胞的細胞壁上，而具緣紋孔存在于導管細胞的細胞壁上。在活樹體中，這種類型的紋孔具有重要意義，因為它連通了導管細胞和生命活動活躍的薄壁細胞。

2.1.3　針葉材的微觀構造

針葉材（裸子植物的樹木）的微觀構造相對較簡單，軸向或縱向組織主要由軸向管胞組成，此外還有少量的軸向薄壁細胞與樹脂道；而橫向組織，即木射線，主要由射線薄壁細胞組成（圖2-7）。

2.1.3.1　軸向管胞

軸向管胞（axial tracheid）呈細長型，通常長寬比在100以上，它是針葉樹材的主要構成細胞，約占木材總體積的90％以上，同時起輸導水分與機械支撐的作用。在橫切面上（圖2-8），管胞沿徑向排列，呈正四邊形或長方形，早材管胞腔大壁薄，晚材管胞腔小壁厚。水分通過管胞尖端的具緣紋孔，流通于不同管胞之間。相鄰兩列軸向管胞并不是頭對頭腳對腳地整齊排列在一起，而是有20％～30％的錯開。水分流經兩管胞間的紋孔時，傳導路徑呈“之”字形，這是因為針葉材的紋孔膜具有很強的疏水性，水分很難通過，只能沿紋孔膜邊緣的微孔通過，但微孔直徑很小，這就降低了水分傳導效率，不如闊葉材的導管效率高。

2.1.3.2　軸向薄壁組織與樹脂道

軸向薄壁細胞是針葉材中縱向排列的細胞，軸向薄壁組織是由眾多軸向薄壁細胞聚集而成的。軸向薄壁細胞在大小和形狀上與射線薄壁細胞很像，但它們彼此互相垂直，各自串聯在一起形成各自的薄壁組織。在橫切面上（圖2-9），軸向薄壁細胞經常與軸向管胞相混淆，但當其細胞腔內含有深色有機物質時便可輕易分辨出來。在徑切面和弦切面上（圖2-9），軸向薄壁細胞呈長串狀，且通常都含有深色內含物。軸向薄壁細胞在針葉材中僅少數科、屬中單獨具有，含量甚少或無，平均僅占木材總體積的1.5％，僅在羅漢松科、杉科、柏科中相對含量較多，為該類木材的重要特征。在松科木材中除雪松屬、鐵杉屬、冷杉屬、油杉屬及金錢松屬等有時含有少量軸向薄壁細胞，或具樹脂道樹種在樹脂道周圍具有外，其余均不具有。

樹脂道是由薄壁的分泌細胞環繞而成的孔道，是具有分泌樹脂功能的一種組織，為針葉材的構造特征之一。當談到樹脂道及圍成樹脂道的薄壁細胞時，更準確的稱謂應該為軸向樹脂道或者橫向樹脂道。在松屬木材中，其樹脂道在橫切面上用肉眼即可看見，但云杉屬、落葉松屬和黃杉屬，其樹脂道非常小，肉眼難以分辨，需借助放大鏡才能看清。橫向樹脂道存在于特殊的木射線內，被稱為紡錘形木射線，與普通的木射線相比，紡錘形木射線高而寬。通常，除上述幾種針葉材外，其余樹種不存在樹脂道，但某些樹種在受到較大損傷時會形成弦向排列的樹脂道群，稱為創傷樹脂道。

2.1.3.3　木射線

在針葉樹材的橫切面［圖2-10（a）］上，除了軸向管胞和樹脂道外，還能看到另一種細胞——射線薄壁細胞。射線薄壁細胞聚集成射線薄壁組織，在橫切面［圖2-10（a）］上呈現一條自上而下貫通的黑色線條，但針葉材的射線薄壁組織欠發達，肉眼難以看見。射線薄壁細胞呈磚塊狀，通常約15μm高，10μm寬，150～250μm長，沿徑向排列［圖2-10（b）］。射線薄壁組織負責營養物質的合成、貯存及橫向運輸，此外，還負責水分的橫向傳導。在徑切面上［圖2-10（b）］，射線薄壁組織像一面用磚砌成的墻，偶爾可見某些細胞充滿著深色的內含物。在弦切面上［圖2-10（c）］，一個個射線薄壁細胞依次堆疊起來組成射線，其寬度方向只由一個細胞組成，稱之為單列射線。

射線薄壁細胞與軸向管胞相交而成的區域稱為交叉場，此區域有專門的紋孔來連通軸向組織與橫向組織。同一樹種的交叉場紋孔在類型、形狀、大小以及數量上通常具有一致性，可以作為識別該樹種的一個標志。

2.1.4　闊葉材的微觀構造

闊葉材（被子植物的樹木）的微觀構造與針葉材相比要復雜得多。縱向組織由各種類型的纖維細胞、不同尺寸及排列情況的導管細胞和樣式繁多的軸向薄壁細胞組成。橫向組織與針葉材一樣，由射線組織構成，其射線組織亦是由射線薄壁細胞聚集而成的。但不同的是，闊葉材的射線在尺寸和形狀上比針葉材更具多樣性（圖2-11）。

2.1.4.1　導管

在傳輸水分及營養物質方面，闊葉材具有專門的結構——導管分子［圖2-12（a）］，這是闊葉材所特有的，可作為闊葉材的識別標志。導管分子一個挨一個地連接在一起，構成導管系統。兩個導管分子縱向相連時，端壁間相互連接的細胞壁稱為穿孔板，其端壁相通的孔隙稱為穿孔［圖2-12（a）］。因此，可看出闊葉樹材負責水分傳導的是相互貫通的管狀結構（導管），而針葉樹材的水分傳導結構（管胞）不是完全貫通的。在橫切面上，導管呈現出許多大小不等的孔眼，稱為管孔。

導管直徑差異性很大，小的能到30μm以下，大的可達300μm以上，但通常都分布在50～200μm范圍內。導管分子的長度比管胞要小，在100～1200μm（0.1～1.2mm）范圍內。導管分子的排列樣式多種多樣。在一個年輪內，若早晚材管孔大小基本一致，排列分散，則稱此樹種為散孔材；若早材管孔比晚材管孔大得多，則稱此樹種為環孔材。管孔的排列方式還可分為沿弦向、沿徑向、簇狀、星散狀，或者這些類型的組合。此外，單個導管分子可以單獨出現（單管孔），也可兩兩成一對（復管孔），甚至更多的管孔沿徑向串成鏈（管孔鏈）或聚成團（管孔團）。穿孔可分為兩大類型，單穿孔和復穿孔。單穿孔［圖2-12（b）］的穿孔板上只有一個大的開口，而復穿孔［圖2-12（c）］的穿孔板上有若干個小的開口，中間靠長條隔開。

不同導管分子間的橫向交流是依靠導管分子端壁上的具緣紋孔實現的［圖2-12（d）～圖2-12（f）］。這些具緣紋孔的高度在2～16μm之間，在導管壁上的排列形式有3種，梯狀紋孔、對列紋孔和互列紋孔。梯狀紋孔［圖2-12（f）］為長方形紋孔，它與導管長軸呈垂直方向排列，紋孔的長度常和導管的直徑幾乎相等；對列紋孔［圖2-12（e）］為方形或長方形紋孔，呈上下左右均對稱的排列，呈長或短水平狀對列；互列紋孔［圖2-12（d）］為圓形或多邊形的紋孔，作上下左右交錯排列，若紋孔排列非常密集，則紋孔呈六邊形，類似蜂窩狀，若較稀疏，則近似圓形。闊葉材絕大多數樹種均為互列紋孔。

有些樹種只存在一種類型的紋孔排列，而有些樹種卻能看到兩種甚至三種。導管分子與射線薄壁細胞間的橫向交流是依靠二者間的半具緣紋孔實現的，這些紋孔在大小和形狀上與導管間紋孔相似或略大。

2.1.4.2　木纖維

闊葉樹材的木纖維專司機械支撐，其長度比針葉樹材的管胞（200～1200μm）要短，平均寬度為針葉樹材管胞的一半，但通常是導管分子長度的2～10倍。木纖維細胞壁的厚度是決定木材密度和力學強度的主要因素。某些樹種，如楊樹、椴木、木棉樹和輕木等，其木纖維細胞壁的厚度較小，受此影響，這些樹種的密度和力學強度較低。而有些樹種，如硬楓木、刺槐、綠心葳和鉆石紅檀等，其木纖維細胞壁厚度大，相應地，其密度和力學強度較高。闊葉樹材的氣干（含水率12％）密度一般都在0.1～1.4g/cm3，而針葉樹材的一般在0.3～0.8g/cm3。木纖維細胞間的紋孔對多為單紋孔對或具緣紋孔對。管胞本是針葉樹材的主要組成單元，但在某些闊葉中也能見到管胞的存在，如在蒙古櫟、柳桉等木材的導管分子附近，就存在導管狀管胞和環管管胞這兩種闊葉樹材管胞。闊葉樹材中這些特殊的“木纖維”通常都具有具緣紋孔，腔大壁薄，并且比著正常的木纖維要短，同時起著支撐和傳導作用。

2.1.4.3　軸向薄壁組織

在針葉材中，軸向薄壁組織很少出現甚至根本就不出現，即使出現也是存在于個別樹種中，而且比較分散，但在闊葉材中，軸向薄壁組織較發達，排列形式也是多種多樣。針葉樹材和闊葉樹材的軸向薄壁細胞在大小和形狀上基本一致，而且發揮功能的方式也是相同的，唯一的區別就在于數量和排列方式上。根據軸向薄壁組織與導管加生的關系，闊葉樹材中的軸向薄壁組織可分為兩大類，傍管型和離管型。傍管型又可進一步分為環管狀、翼狀、帶狀。離管型也可再細分為星散狀、帶狀、輪末狀和輪始狀。每個樹種的軸向薄壁組織都有其獨特的排列方式，可作為樹種識別的重要標志。

2.1.4.4　木射線

闊葉材的木射線比針葉材要發達很多，排列形式更是多種多樣。大多數闊葉樹材，其木射線都是多列射線，但某些樹種，如柳樹、楊樹、相思木等，其木射線卻與針葉材的相像，為單列木射線。在橡樹和硬楓樹兩樹種中，既存在單列木射線，也存在高達8列以上的多列木射線，并且在橡木中，木射線的高度可達幾厘米［圖2-13（a）］。大多數樹種，其木射線都是1～5個細胞寬，不到1mm高［圖2-13（b）］。闊葉樹材的木射線同樣由射線薄壁細胞組成，并且按其長軸與樹軸所成的方向可分為橫臥細胞和直立細胞。橫臥細胞長軸與樹軸垂直，水平排列，大小和形狀與針葉材的射線薄壁細胞相似［圖2-13（c）］。直立細胞長軸與樹軸平行，垂直排列，長度比橫臥細胞要小，某些甚至成方形。只由橫臥細胞組成的木射線為同型射線，由橫臥細胞和直立細胞共同組成的射線為異型射線，直立細胞的列數從1～5以上不等。

2.2　木材流體滲透性

滲透性和孔隙率之間的關系非常密切。孔隙率是固體中孔隙所占的空間百分比，而滲透性（permeability）是流體依靠壓力梯度穿過多孔性材料難易程度的計量。顯然，一個可滲透的固體必定是多孔性的，但并非所有多孔性的固體都是可滲透的，只有各孔隙空間有通道相互溝通才具有滲透性。木材雖然多孔，但滲透性卻不那么大。即使空隙率大，空隙間的聯絡受到限制，則滲透性也會變小。木材的滲透性與木材內粗大的毛細管構造及與其聯絡的微毛細管構造的滲透性有關。

木材流體滲透性是指流體（液體與/或氣體）在壓力梯度下進入、通過和流出木材的難易程度。在木材非機械加工處理過程中，無論將流體注入木材如防腐、阻燃、浸提、改性、油漆和染色處理，或將流體自木材內排出如木材干燥和真空處理，都與木材流體滲透性密切相關。

2.2.1　流體在木材內的滲透

流體在木材內的滲透要滿足兩個基本條件：通道和動力。木材是一種天然的毛細管多孔材料，具有紋孔和細胞腔相互聯結的空隙，流體在特定條件下，可以沿著這樣的毛細結構運行于木材中，既可以自木材內排出，也可以從木材外注入。因此，流體在木材內流動的主要通道為紋孔對和細胞壁構成的大毛細管系統。

對于針葉樹材，軸向管胞是其主要結構因子（占總體積的90％～93％），彼此間依靠紋孔對相互連接，故可以認為針葉材的主要流通通道為流體穿過軸向管胞的具緣紋孔對進入到下一個緊鄰的軸向管胞。

闊葉樹材比針葉樹材結構更為復雜，因為其化學組分組成了更多的細胞類型，最主要的是軸向輸導組織，包含導管（55％）和木纖維（26％）。木纖維通常少紋孔，具厚壁；而導管分子主要通過開放的穿孔板相連通。另外，導管腔中的甲基纖維素（纖維素中的部分或全部羥基上的氫被甲基取代的產物，具有成膜性好、表面耐磨、貯存穩定的特點）和其他的堆積物也很大程度上控制著流體的滲透。因此，可以構建一個歸納的闊葉樹木材流體流通通道：導管是闊葉樹木材中最主要的開放流通通道，流體通過導管并經末端穿孔板到達下一個導管，除非它們被甲基纖維素或其他沉積物堵塞——此時，流體會從導管流向軸向薄壁組織、木纖維和木射線。

總之，針葉樹木材的主要流通通道為彼此間通過紋孔對相互連通的管胞；闊葉樹木材為彼此間通過穿孔板相互連通的導管。它們縱橫向彼此連通，被統一視作串并聯毛細管，共同組成了流體在木材內流入、經過和流出的主要通道。這種流體在木材真實毛細管中的流動或許可以被近似認為流體在串并聯玻璃毛細管中流動的組合。

木材內流體的遷移可細分為兩大類。第一類為質量流，即流體在靜壓梯度或毛細管壓力梯度作用下，沿木材結構中孔隙網絡的移動，其驅動力可認為是動量梯度密度，故有時又稱為動量傳輸。第二類是擴散，擴散有兩種：氣體之間的擴散（包括水蒸氣在細胞腔空氣中的擴散）和細胞壁里結合水的擴散。質量流的實際應用有木材阻燃、防腐、防蟲等的藥劑加壓處理，木材層積塑料生產中為后續聚合工藝進行的單體浸漬和木片的制漿化學藥劑浸漬等；而擴散則出現于木材在氣干或室干時以及水分由于季節相對濕度的變化而在建筑物外墻的木構件以及室內的木制品和家具里的移動。一種流體在木材里進行質量流的強弱取決于木材的滲透性。

2.2.2　影響滲透性的因素

木材自身的性質（如解剖構造、成分含量）、滲透流體的性質以及滲透工藝的選擇都不同程度地影響著木材的流體滲透性。但最主要的影響因素還是木材自身的性質。

（1）與木材本身有關的影響因子　流體在木材內滲透的主要通道為紋孔對和細胞腔組成的大毛細管系統。木材毛細管結構對于流體輸導有效性是各不相同的，其有效性的高低取決于流體可滲性有效毛細管半徑和數量，有效毛細管半徑越大、數量越多，則滲透性越高。因此，影響有效毛細管半徑和數量的因素同時也是影響木材流體滲透性的因素。

a.具有流體可滲透性平均有效管胞或導管半徑及其單位面積上的數量，平均有效紋孔膜微孔半徑或復合穿孔板穿孔半徑及其單位面積上的數量。對于針葉樹材，管胞及其之間的紋孔對是構成大毛細管系統的主要結構，其平均有效可滲透半徑和單位面積上的數量，尤其是紋孔膜上的微孔半徑和數量，直接影響著針葉樹材的大毛細管可滲透性。相應地，闊葉樹材中的導管及其之間復合穿孔板穿孔的有效半徑和數量直接影響著闊葉樹材的流體滲透性。

b.紋孔閉塞。國外研究學者曾指出，對于氣干材而言，當松科木材由生材狀態開始水分干燥至纖維飽和點時，此時管胞腔內的自由水已基本上被蒸發排盡，于是便在起連通功能的管胞具緣紋孔對的紋孔室內形成了氣-液彎月面，從而產生了毛細管張力。當彎月面移動至紋孔膜塞緣上的微孔時，由于塞緣上的微孔非常小（0.02～4μm），所產生的高毛細管張力可以使紋孔膜發生移動從而偏向紋孔室的另一端口，因而形成紋孔閉塞，降低了木材滲透性，增加了流體在木材內的浸注難度。

c.抽提物含量高低與分布。木材抽提物的化學組成包括酚類、脂質、蠟狀物、異構體和萜類化合物，抽提物成分、含量及其在木材中的分布都影響著木材的滲透性。如抽提物是否沉積在針葉樹材管胞腔、闊葉樹材導管腔以及紋孔膜的微孔而堵塞或阻礙流體滲透路徑，從而降低木材的滲透性。芯材比邊材滲透性低，部分原因是由于芯材含有較多的抽提物，并且覆蓋了紋孔膜的微孔，從而造成了有效紋孔膜微孔半徑的減小和數量的減少，降低了芯材的滲透性。

d.細胞腔中樹脂或樹膠的含量與分布。樹脂或樹膠量少且分散，則流通通道順暢，滲透性高。如落葉松滲透性差，其含有的豐富樹脂就是主要原因之一，而且其芯材樹脂含量高于邊材，使得其芯材滲透性低于邊材。

e.木材含水率。鮑甫成等曾對馬尾松、紅松、泡桐等七個樹種木材在不同含水率時的氣體滲透性做過測定。試驗方法是首先對氣干試樣（含水率約10％～12％）進行第一次滲透性測定，然后令其吸水至纖維飽和點以上，再進行第二次滲透性測定。結果發現所有樹種的全部試樣第一次測定值與第二次顯然不同，統統是從低含水率時的高滲透性變成高含水率時的低滲透性，相差幾十倍甚至幾千倍，有些試樣甚至變成完全不滲透，表明氣體滲透性隨著含水率的增高而減小。隨著測定時間的延長，這些試樣的氣體滲透性由于試樣中的水分在長時間的氣體壓力作用下逐漸被擠出，一度曾為水分所堵塞的氣體滲透路徑逐步被疏通，滲透性變得越來越高。由于木材中水分未能全部被擠出，所以滲透性雖變得越來越高，但并未恢復到原始狀態。接著將試樣進行低溫（30℃）干燥，進一步除去試樣中的水分使之恢復到原有的含水率狀態，再進行第三次滲透性測定。試驗表明，氣體滲透性隨著試樣中水分進一步排出而得到進一步增大，不但恢復到原始狀態，而且高于原始狀態時的滲透值。由此可以認為在纖維飽和點以上，木材含水率對氣體滲透性具有無可置疑的影響，隨著含水率的增高木材氣體滲透性減小。

至于在纖維飽和點以下，一些國外研究成果表明：闊葉樹材含水率的多少并不影響滲透性，因為細胞壁微毛細管系統對氣體是不可滲透的；但針葉樹材滲透性卻隨著含水率的增加而減少，這是因為木材吸濕膨脹過程中，紋孔塞位置發生偏移而關閉了紋孔的關系。

除上述主要影響因素外，針葉樹材樹脂道中擬侵填體的存在以及闊葉材導管中侵填體的存在等也都影響著木材的流體滲透性。正是上述因素（除含水率）的共同作用，導致針葉材低滲透樹種比闊葉材多、闊葉環孔材低滲透樹種比散孔和半散孔材多。同一樹種，縱向滲透性大于橫向滲透性；邊材滲透性往往大于芯材滲透性；弦向滲透性與徑向滲透性及早材滲透性與晚材滲透性隨樹種而異。

（2）與滲透流體有關的影響因子　當滲透流體為液體時，木材滲透性與液體種類和極性、分子大小及構造、液體黏度和濃度等因素有關。一般來說，液體黏度越低，濃度越低，分子空間體積越小，極性參數與木材越相近，則越有利于液體滲透木材。當滲透流體為氣體時，滲透性差異不大。通常氮氣滲透略快，氧氣略慢，而空氣介于兩者之間。

（3）與滲透工藝有關的影響因子　與滲透工藝有關的影響因子主要有溫度、壓力和滲透時間等。一般地，升高溫度可降低液體黏度從而加速液體在木材內的滲透速度；施加壓力和延長滲透時間都可不同程度地提高木材滲透性。

2.2.3　改善滲透性的具體方法

改善木材滲透性作為木材干燥的預處理階段，對整個干燥過程有著重要的意義。它不僅能加快木材干燥速度，縮短干燥周期；還能減少干燥缺陷（如皺縮）的產生，提高木材干燥質量。改善木材的流體滲透性要從木材流體滲透性的影響因素出發，運用一定的方法手段消除或緩解這些因素對木材的影響，提高木材的流體滲透性。木材滲透性的主要影響因素為木材本身的性質，而且作為木材干燥的一項預處理，改善木材的滲透性也只能從改善流體滲透通道（大毛細管系統）通透性出發，尋找適合的方法手段。下面將列舉幾種具體的改善措施。

（1）微波干燥法和高溫干燥法　利用高強度微波輻射和高溫使木材內水分快速汽化形成向外擴散的蒸氣壓，作用于細胞內壁及紋孔膜，從而沖破薄弱組織，產生額外流體滲透通道，從而增加木材的流體滲透性。研究表明，微波干燥法既增加了滲透通道，又使抽提物含量減少，從而大大提高了木材滲透性；且此法能降低木材內部應力，使力學性能得以改善。

（2）水熱處理和蒸汽爆破處理　水熱處理是用水蒸煮或用不同壓力及溫度的飽和水蒸氣處理木材。經蒸汽熱處理的木材導管壁上的紋孔膜出現了不同程度的破裂，甚至形成空洞，滲透性能得到了較明顯的改善。飽和蒸汽還能夠溶解木材中一些抽提物，進一步改善木材滲透性。蒸汽爆破處理主要是利用蒸汽壓力使紋孔緣與細胞壁、紋孔塞與塞緣和交叉場紋孔出現裂痕或裂隙，從而使木材的滲透性得以提高。有人對板材進行了蒸汽爆破預處理，滲透性得到了不同程度的提高，而且蒸汽爆破處理的壓力越大、處理溫度越高、板材厚度越薄和爆破次數越多，滲透性增加就越大。

（3）微生物處理和酶處理　微生物處理利用細菌或真菌等微生物對木材薄壁組織及紋孔膜進行侵蝕，拓寬木材流體滲透通道，從而提高木材滲透性，它包括細菌處理法和真菌處理法。細菌侵蝕處理也稱作水存處理，將木材貯存于貯木池中，池水里的細菌會對木材細胞的紋孔塞和具緣紋孔膜結構及射線薄壁細胞造成分解或降解，增加其孔隙，從而改善木材的滲透性。真菌處理木材是在木材上接種真菌的孢子，真菌會侵入木材，其菌絲穿過細胞腔向木材內部擴散，并且分泌酶，這些酶可以降解紋孔膜的組分，打通閉塞的紋孔，提高木材的孔隙度，從而提高木材的滲透性。

酶處理是在木材上接種選定的酶，酶會降解紋孔膜及紋孔塞的主要成分，打通閉塞的紋孔，提高木材的滲透性。不過目前阻塞紋孔物質的化學成分還沒有得到確定，酶種的選取不夠明確；酶溶液只有擴散到芯材、邊材交界處才能獲得較好的處理效果，但化學物質在木材中自由擴散受到很大的限制，要采用很高的壓力才能獲得很好的擴散效果。因此酶處理法在工業上的應用存在局限性。

（4）溶劑置換法和冷凍干燥法　溶劑置換法是利用低表面張力的有機溶劑（如酒精）置換生木材內的自由水。一方面使木材紋孔保持生材時的狀態，減少紋孔閉塞，從而使干燥后的木材，特別是邊材保持較高的滲透性；另一方面通過溶解一部分抽提物，提高木材，尤其是芯材的滲透性。冷凍干燥是將木材放入0℃以下的環境中，讓水結成冰，并在此環境下讓冰直接升華成水蒸氣，從而實現干燥木材的目的。冷凍干燥避免了常規木材干燥過程中氣-液界面的出現，消除了表面張力，降低了紋孔閉塞率，從而提高了木材的滲透性。

（5）化學法　化學法是采用水、堿溶液或一些有機溶劑等，溶解或侵蝕阻礙流體滲透性的成分或要素，以改變紋孔閉塞率。研究證明，木材經冷水、熱水、1％NaOH溶液和苯-乙醇抽提，滲透性都有明顯提高，堿和苯-乙醇抽提效果最明顯。苯乙醇浸提不僅使滲透性得到明顯改善，而且還可以增加滲透的均勻性。

（6）超臨界流體處理法　所謂超臨界流體（supercritical fluid，SCF），就是指超過臨界溫度（Tc）和臨界壓力（Pc）狀態下的非凝結性的高密度流體，是介于氣體和液體之間的流體，同時具有液體和氣體的雙重性。超臨界流體的密度和液體接近，黏度與氣體相當，擴散系數比液體大10～100倍。由于二氧化碳的臨界溫度（31.1℃）是文獻上介紹過的超臨界溶劑臨界溫度最接近室溫的，可在室溫附近實現超臨界流體技術操作，以節省能耗；其臨界壓力（7.39MPa）也比較適中，設備加工并不困難；同時，超臨界CO2密度大，對多種溶質具有較大的溶解度，而水在CO2中的溶解度卻很小；此外，CO2具有傳質速率高、易得、無毒、不燃燒、化學穩定性好以及極易從萃取產物中分離出來等一系列優點，因此當前絕大部分超臨界流體都以CO2為溶劑。

超臨界CO2流體處理法，就是利用超臨界CO2流體的高溶解性溶解木材中的影響滲透的部分抽提物，借助快速的壓力變化及高壓作用破壞紋孔閉塞，以形成順暢通道；同時利用超臨界CO2流體的高擴散性，快速實現流體在木材中的滲透。在超臨界CO2流體中加入少量的攜帶劑，以進一步提高其對抽提物的溶解性，可更好地提高流體在木材中的滲透性。

（7）超聲波法　超聲波頻率高、功率大，可以引起液體的疏密變化，這種變化使液體時而受壓，時而受拉。由于液體受拉的能力很差，因此在強的拉力作用下，液體會發生斷裂，從而產生小空穴，聲波的稀疏階段使小氣泡迅速長大，然后在聲波壓縮階段中，小泡又突然被絕熱壓縮至破滅和分裂，在破滅過程中，小泡內部可達幾千攝氏度高溫和幾千個大氣壓的高壓，并且由于小泡周圍液體高速沖入而形成強烈的局部沖擊波，這就是液體內部的超聲空化作用。

利用超聲波空化效應產生的局部沖擊波，對存放在液體介質（如水）中的木材（通常為濕材）進行作用，能夠促進木材抽提物的溶出，打通木材內部流體流動通道，提高木材對流體的滲透性。

2.3　與干燥有關的木材物理性質

2.3.1　木材中的水分

一棵活樹，其根部的細胞不斷地從土壤中吸收水分，經過木質部的管胞（針葉材）或導管（闊葉材）輸送到樹葉，樹葉中的水分一部分用于蒸騰作用，另外一部分參與光合作用。樹木中的水分既是樹木生長必不可少的物質，又是樹木輸送各種營養物質的載體。根部不間斷地把土壤中的水分輸送到樹葉，所以樹干中含有大量水分。活樹被伐倒，并鋸制成各種規格的鋸材后，水分的一部分或大部分仍然保留在木材內部，這就是木材中水分的由來。

木材是一種具有多孔性、吸濕性的生物材料，當木材周圍的大氣條件發生變化時，其含水量也會隨之發生變化。木材與水分之間的關系是木材性質中最重要的一部分，木材中水分含量的多少在一定范圍內影響木材的物理力學性質以及機械加工性能。

2.3.1.1　木材中水分的存在狀態

木材是由無數的中空細胞集合而成的空隙體。木材中的水分按其與木材的結合形式和存在的位置，可分為化合水、吸著水和自由水三種。如圖2-14給出了木材中水分存在狀態和存在位置。

化合水存在于木材化學成分中，它與組成木材的化學成分呈牢固的化學結合，一般溫度下的熱處理是很難將它除去的，且數量很少，可以忽略不計。因此，對干燥有意義的主要是自由水和吸著水。圖2-15給出了生材和干材內部水分存在的兩種狀態。

自由水是指以游離態存在于木材細胞的胞腔、細胞間隙和紋孔腔這類大毛細管中的水分，其性質接近于普通的液態水。理論上，毛細管內的水均受毛細管張力的束縛，張力大小與毛細管直徑大小成反比，直徑越大，表面張力越小，束縛力也越小。木材中大毛細管對水分的束縛力較微弱，水分蒸發、移動與水在自由界面的蒸發和移動相近。自由水多少主要由木材孔隙體積（孔隙度）決定，它影響到木材重量、燃燒性、滲透性和耐久性，對木材體積穩定性、力學、電學等性質無影響。

吸著水是指以吸附狀態存在于細胞壁中微毛細管的水，即細胞壁微纖絲之間的水分。木材胞壁中微纖絲之間的微毛細管直徑很小，對水有較強的束縛力，除去吸著水要比除去自由水消耗更多的能量。吸著水多少對木材物理力學性質和木材加工利用有著重要的影響。木材生產和使用過程中，應充分關注吸著水的變化與控制。

2.3.1.2　木材的含水率及測量

（1）木材含水率的定義

木材中水分含量多少是用含水率或含水量來表示的。即用木材中水分的質量與木材質量之比的百分數的方式表示。根據計算基準的不同，木材含水率可分為絕對含水率和相對含水率兩種。

如果用木材所含水分的質量占其絕干材質量的百分率表示，稱為絕對含水率。

木材絕對含水率：

式中　G濕——木材濕質量，g或kg；

G干——木材絕干質量，g或kg。

如果用木材所含水分的質量占其濕材質量（或木材原來的質量）的百分率表示，稱相對含水率。

木材相對含水率：

木材干燥生產中通常多用絕對含水率，相對含水率只在個別情況下才采用。因為絕干材質量固定，便于比較，而木材濕材質量（或木材原質量）會隨時在變化，不宜作互相比較用。

（2）含水率的測量

①稱重法　是最傳統、最基本的木材含水率測定方法。我國林業行業標準及國家標準中都規定以稱重法測量的含水率為準。稱重法是進行基礎性試驗研究和校正其他測定方法的依據。

按照國家標準GB/T 6491—2012規定，在濕木材上取有代表性的含水率試片（厚度一般為10～12mm），所謂代表性就是這塊試片的干濕程度與整塊木材相一致，并沒有夾皮、節疤、腐朽、蟲蛀等缺陷。一般應在距離鋸材端頭250～300mm處截取。將含水率試片刮凈毛刺和鋸屑后，應立即稱重，之后放入溫度為（103±2）℃的恒溫箱中烘6h左右，再取出稱重，并作記錄，然后再放回烘箱中繼續烘干。隨后每隔2h稱重并記錄一次，直到兩次稱量的質量差不超過0.02g時，則可認為是絕干。稱出絕干后，代入公式（2-2）計算即可。

用稱重法測量木材含水率準確可靠，且不受含水率范圍的限制。但測量時需要截取試樣，破壞木材，且耗時長，操作煩瑣。由于薄試片暴露在空氣中其水分容易發生變化，因此，測量時要注意截取試片后或取出烘箱后應立即稱重，如不能立即稱重，須立即用塑料袋包裝，防止水分蒸發。

②電測法　是根據木材的某些電學特性與含水率的關系，設計成含水率測定儀直接測量木材含水率的方法。依據木材電學特性的不同，電測法可分電阻式含水率測定儀測定和介電式含水率測定儀測定兩種。電測法測量方便、快速，且不破壞木材，但測量范圍有限。電測法詳見3.2.3.3所述。

2.3.1.3　木材的纖維飽和點

當木材細胞腔中的自由水蒸發完畢，而木材細胞壁中的吸著水處于飽和狀態時木材的含水率叫木材的纖維飽和點。

纖維飽和點是木材性質的轉折點，木材的強度、收縮性能，以及導熱、導電性能等都與其密切相關。當木材含水率高于纖維飽和點時，木材強度和導電性不受影響，木材收縮或膨脹亦不會發生；當木材含水率低于纖維飽和點時，則隨含水率的減小而木材的導電性減弱，強度和收縮增大；反之，隨著含水率的增加，則木材的膨脹增大，強度降低，導電性能增強。纖維飽和點隨樹種與溫度而不同，就多種木材來說，在空氣溫度約為20℃、空氣濕度為100％時，纖維飽和點對應的含水率平均值為30％，變異范圍為23％～33％。隨著溫度的升高，木材纖維飽和點降低，溫度每升高1℃，木材纖維飽和點降低0.1％，其表達式可以表示為：

MFSP=0.3-0.001（t-20）　　（2-3）

式中　MFSP——纖維飽和點；

t——溫度℃。

這說明溫度越高，木材從飽和空氣中吸濕的能力越低。纖維飽和點與木材利用關系十分密切，它是木材材性變化的轉折點已被大家公認。圖2-16中給出了木材細胞腔中水分分布理想狀態。

2.3.1.4　木材的平衡含水率

（1）木材的吸濕性　木材是一種吸濕性的材料。當空氣中的蒸汽壓力大于木材表面水分的蒸汽壓力時，木材自外吸收水分，這種現象叫吸濕；當空氣中的蒸汽壓力小于木材表面水分的蒸汽壓力時，木材向外蒸發水分，這種現象叫解吸。木材的吸濕和解吸統稱為木材的吸濕性。吸濕性不等同于吸水性，前者指的水分存在于木材的細胞壁，而后者指的水分還包括自由水。

木材的吸濕機理包括：一是木材細胞壁中極性基團（主要為羥基，通過形成氫鍵）對水分的吸附（為木材吸濕的主要機理）；二是在吸著環境的相對濕度很高時，由Kelvin公式確定的細胞壁毛細管系統產生凝結現象。

當木材在一定的相對濕度和溫度的大氣環境中，隨著時間的延續，含水率逐漸由高變低，最終達到一個恒定不變的含水率稱為木材解吸穩定含水率MC解；若含水率逐漸由小增大，最終達到一個恒定不變的含水率稱為木材吸濕穩定含水率MC吸，如圖2-17所示。對于木材來說，在一定的大氣條件下，吸濕穩定含水率總要比解吸穩定含水率低，這種現象稱之為木材的吸濕滯后。不同條件下木材的吸濕與解析及吸濕滯后如圖2-18所示。吸濕滯后的值用ΔMC來表示，吸濕滯后數值的變異范圍在1％～5％，平均值為2.5％。

（2）木材的平衡含水率的定義　當木材在一定的相對濕度和溫度的大氣環境中，吸收水分和散失水分的速度相等，即吸濕速度等于解吸速度，這時的含水率稱為木材的平衡含水率（EMC）。

在實際生產中，氣干鋸材的吸濕滯后值不大，可以忽略不計。因此一般氣干鋸材的平衡含水率可粗略地認為：EMC=MC解=MC吸。

木材平衡含水率是制訂干燥基準，調節和控制干燥過程，所必須考慮的問題。木材干燥最終的含水率為多少適宜，要根據使用地區的平衡含水率來確定。通常情況下取木材終含水率為：

MC終=EMC-2.5％　　（2-4）

在特定環境中，木材的平衡含水率會隨著不同樹種，同一樹種的不同部位（如芯邊材），木材的組分（如抽提物）的不同而出現一定的差異。除了木材本身的組分之外，濕度、溫度、吸濕歷史等其他因素也會影響木材的平衡含水率。

（3）木材平衡含水率的確定　木材平衡含水率的確定方法有：氣象資料法、圖表法、稱重法和電測法。下面主要介紹圖表法及電測法。

①圖表法　根據木材所處環境的溫、濕度，由圖2-19或附錄1直接查得。

②電測法　直接采用平衡含水率測量裝置測量。這種測量裝置可與電阻溫度計一起裝在干燥室內，用來代替傳統的干、濕球溫度計，測量并控制干燥介質狀態，尤其適用于計算機控制的干燥室。即計算機根據所測的木材含水率和干燥介質對應的平衡含水率，按基準設定的干燥梯度來控制干燥過程。但是由于電測法是靠電阻的大小來衡量含水率多少的，只有當含水率處于6％～30％之間才能用。

木材在使用過程中，室內與室外環境中使用的木材的平衡含水率會隨著時間的變化而發生改變，我國不同地區的平衡含水率可通過附錄2得到。

2.3.2　木材的密度與干縮

2.3.2.1　木材的密度

木材的密度為單位體積木材的質量，單位為g/cm3。木材密度是木材性質的一項重要指標，直接影響到木材的物理、力學等性質。密度越大，干縮系數也越大。就干燥工藝而論，密度較大的木材較難干燥。

根據木材中水分狀態的不同，常用的有氣干材密度、絕干材密度和基本密度。

①氣干材密度ρq是木材含水率為12％時的質量G12與體積V12之比。氣干材是木材長期在一定大氣環境中放置的木材，我國國標將氣干材的含水率定為12％。

②絕干材密度ρ0是木材經過溫度在103℃左右的烘箱中干燥到其質量不再變化時的木材，認為其含水率為0，木材的絕干材密度則是絕干狀態下木材的質量G干與其體積V干之比。

③基本密度ρj（公定密度）是木材試樣絕干質量G干與試樣飽和水分時的體積V濕之比，就是說密度計算時質量與體積對應著木材的不同含水率狀態。

以上三種密度，一般以基本密度為木材材性的依據。因為絕干材的重量和飽和水分時的木材體積都比較固定，所以在實驗室常用作判斷木材重量和相互比較性的指標。但在生產上多采用木材氣干密度。

2.3.2.2　木材的干縮和變形

木材的干縮與濕脹是木材的重要性質，是導致木材尺寸不穩定的根本原因，影響著木材及木制品的正常使用。如干縮會導致木制品尺寸變小而產生縫隙、翹曲甚至開裂；濕脹不僅增大木制品的尺寸，使地板隆起、門窗關不上，而且還會降低木材的力學性質。但對于木桶、木盆及木船等，木材的濕脹有利于這些木制品的張緊。

木材干縮濕脹的現象為在絕干狀態和纖維飽和點含水率范圍內，由于水分進出木材細胞壁的非結晶領域，引起的非結晶領域的收縮或濕脹，導致細胞壁尺寸變化，最終木材整體尺寸變化的現象。一般認為木材干縮濕脹時只是木材細胞壁尺寸的變化，木材細胞腔的尺寸不變。木材之所以會干縮濕脹，是因為木材是一種多孔性毛細管膠體，具有黏彈性；而且木材細胞壁主成分分子上具有羥基等極性基團，能與水分子之間形成氫鍵，其吸濕和解吸過程伴隨著能量的變化。

（1）木材干縮的各向異性　木材的干縮濕脹在不同紋理方向上是不同的（圖2-20），因此，木材的干縮率可以分為線干縮率和體積干縮率。木材線性干縮又可分為順紋理方向和橫紋理方向（徑向和弦向）的干縮（圖2-21）。經試驗測定，對于大多數樹種來說，木材順紋方向干縮率很小，為0.1％～0.3％；徑向干縮率為3％～6％；弦向干縮率為6％～12％。可見，三個方向上的干縮率以軸向干縮率最小，通常可以忽略不計，這個特征保證了木材或木制品作為建筑材料的可能性。但是，橫紋干縮率的數值較大，若處理不當，則會造成木材或木制品的開裂和變形。

（2）木材干縮與變形　在實際生產中，通常采用干縮率和干縮系數兩個參數來定量表述木材的干縮程度。

干縮率包括氣干干縮率和全干干縮率。木材從生材或濕材狀態自由干縮到氣干狀態，其尺寸和體積的變化百分比稱為木材的氣干干縮率；而木材從濕材或生材狀態干縮到全干狀態，其尺寸和體積的變化百分比稱為木材的全干干縮率。

利用公式（2-8）和（2-9）可分別計算出從濕材到全干時的全干干縮率和體積干縮率。

式中　βmax——試樣徑向、弦向或縱向的全干干縮率，％；

Lmax——試樣含水率高于纖維飽和點時的徑向、弦向或縱向尺寸，mm；

L0——試樣全干時徑向、弦向或縱向尺寸，mm。

式中　βVmax——試樣的體積全干干縮率，％；

Vmax——濕材的體積，mm3；

V0——試樣全干時的體積，mm3。

干縮系數是指纖維飽和點以下吸著水每減少1％的含水率所引起的干縮的數值（％），用K來表式。弦向、徑向、縱向和體積干縮系數分別記為KT、KR、KL和KV。利用干縮系數，代入公式（2-10）可以算出纖維飽和點以下和任何含水率相當的木材干縮的數值。

YW=K（30-W）　　（2-10）

式中　YW——指定含水率下的干縮數值，％；

K——干縮系數，％；

W——指定木材含水率，％。

木材弦向干縮與徑向干縮的比值稱為差異干縮。干縮率的大小是估量木材穩定性好壞的主要依據；差異干縮是評價木材干燥時，是否易翹曲和開裂的重要指標。差異干縮率值愈大，木材愈易變形、開裂。根據木材差異干縮的大小，大致可決定木材對特殊用材的適應性，木材的干縮系數與木材的密度也有很大的關系（附錄3）。

2.4　木材內部水分移動

2.4.1　木材內部水分移動通道

對應于木材中水分形態的多樣性，木材中水分的移動形式也是多種多樣的，其中包括基于壓力差的毛細管中的移動，基于濃度差的擴散，自由水在細胞腔表面的蒸發和凝結，以及細胞壁中結合水的吸著和解吸。

針葉樹材中水分或其他流體的路徑主要是由管胞內腔和具緣紋孔對組成的毛細管體系，另外纖維方向上的垂直樹脂道，射線方向上的射線管胞的內腔和水平樹脂道也是流體的移動路徑。具緣紋孔對位于相鄰的管胞之間，由紋孔緣、紋孔腔和紋孔膜組成。紋孔緣的開口部位稱為紋孔口。紋孔膜的中間增厚的部分稱為紋孔塞，一般呈圓形或橢圓形。水分不能透過紋孔塞，而是通過紋孔塞周圍的呈網狀的塞緣。紋孔塞和紋孔緣組成紋孔孔膜。當木材芯材化或是進行干燥的過程中，紋孔塞移向一側的紋孔口，形成閉塞紋孔，阻礙水分或流體的移動（如圖2-22）。

闊葉樹材中水分或其他流體的移動路徑主要是導管，另外還包括管胞、導管狀管胞等。闊葉樹材的導管上具有穿孔，所以在纖維方向上水分可以通過穿孔從一個導管進入縱向鄰接的另一個導管。橫向上，水分可以通過導管壁上的紋孔移動。闊葉樹材的導管中經常含有侵填體，這是阻礙木材中水分的移動的重要因素。另外，閉塞紋孔以及紋孔膜上抽提物的存在也是常見的影響水分移動的因素。在具有這些特征的木材中，水分的主要移動途徑是擴散，干燥不容易進行。例如，紅衫、橡木和胡桃木的芯材幾乎無法滲透。一般，所有樹種的邊材都是可以滲透的。

2.4.2　毛細管張力對木材大毛細管內水分移動的作用

木材干燥初期，木材內部被水分飽和，只有在含有自由水的毛細管的兩端存在壓力差即毛細管張力（capillarytensileforce）的情況下，自由水才移動，所以了解毛細作用對木材干燥過程中大毛細管內水分移動的影響有很重要的作用。圖2-23給出了木材內部自由水蒸發的過程。

如圖2-23所示，（a）表示木材毛細管內水分的受力情況，由于毛細作用，水-空氣界面上的表面張力對毛細管內部水分產生一個向上的拉力（向上的箭頭表示）。當處于平衡狀態的時候，毛細管內部水分會產生一個大小相等而相反的力而達到平衡（向下的箭頭），水作用在毛細管壁和分界面上的拉力方向向內。在絕大多數情況下，由于水分的重量相比毛細管張力小很多，所以水分的重量可以忽略。

干燥初期，毛細管表面的自由水開始在其彎月面向空氣中蒸發［圖2-23（b）］，此時彎月面的曲率半徑ri比較大，所以此時的毛細管張力比較小。隨著干燥的進行，木材內部的水分繼續蒸發，曲率半徑繼續減小，當曲率半徑減小到毛細管口大小的時候［圖2-23（c）］，曲率半徑不再減少。此后，隨著干燥的繼續進行，毛細管內部水分繼續蒸發，曲率半徑反而變大，毛細管張力也相應變小［圖2-23（d）］。從圖2-23中可以看出，當曲率半徑與毛細管口半徑大小一樣的時候，毛細管張力達到最大［圖2-23（c）］。

圖2-23（e）到圖2-23（l）給出了生材干燥過程中，毛細管內部水分移出過程。最初，木材內部空腔，除了有兩個不同大小的空氣泡外，大部分被水填充［圖2-23（e）］。此時，干燥只在暴露在空氣中的木材表面進行，細胞其余三部分都被封閉。當大毛細管水通過敞開的細胞蒸發出去，空氣-水分界面上即形成一個個凹的彎月面，開始階段由于彎月面的半徑較大，故毛細張力較小。

當表層細胞腔里的水分排除殆盡，蒸發面就轉移到紋孔口［圖2-23（f）］。此時蒸發表面的曲率半徑減小并接近內部溶解的大氣泡的半徑。隨著水分的進一步蒸發，毛細管內部半徑減小，毛細管張力增大，這個張力不但作用在毛細管管壁，還作用在整個木材內部的所有氣體-液體界面上。由于氣體氣泡的半徑較大，所以其內部的表面張力比較小，使得氣泡發生膨脹，而且氣泡半徑越大，其周圍的張力越小，故大的氣泡先行膨脹，大氣泡所在的細胞先行排空［圖2-23（h）］。氣泡周圍的水分主要通過相鄰細胞向蒸發表面遷移，因此，木材內部深處細胞的大毛細管水的排出可能性比靠近表層的領先，這就是木材干燥后出現濕區現象的原因。

當大半徑的氣泡充分膨脹，其所在的細胞排空，接著，彎月面就向紋孔內部推移，液面曲率半徑又減小，系統內毛細張力進一步增大以致足以使小的氣泡膨脹［圖2-23（i）］，迫使水分沿著相鄰細胞壁和紋孔通道遷移，最后從蒸發面蒸發出去［圖2-23（j）］。在蒸發面與彎月面向紋孔通道內部推移的過程中，由于臨近細胞沒有氣泡，無法以氣泡增大的方法緩解這個張力，毛細張力進一步增大。當蒸發面推移到充滿水的細胞腔的時候，蒸發面即向其中擴展［圖2-23（k）］，結果曲率半徑增大，毛細張力逐步減小，此時，水分一方面從表層向大氣中蒸發，一方面以水蒸氣的形式由內向外移動［圖2-23（l）］，按照這個方式，木材內部大毛細管內所有水分從木材中排出。

2.5　濕空氣

2.5.1　濕空氣的性質

干燥介質在木材干燥過程中起到非常重要的作用，它不僅將熱量傳遞給木材，同時帶走木材干燥出來的水分，其特性直接影響到木材干燥質量和干燥效率。通常來講，木材干燥介質均以濕空氣為主。濕空氣是指含有水蒸氣的空氣，也就是說濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物。干空氣的成分比較穩定，而濕空氣中水蒸氣的含量會隨著環境的變化而發生改變。一般來說，濕空氣中水蒸氣的分壓力通常都很低，因此可按理想氣體進行計算。所以，整個濕空氣也可以按理想氣體進行計算。

（1）濕空氣的水蒸氣分壓力　根據道爾頓定律，濕空氣的總壓力P等于干空氣分壓Pa與水蒸氣分壓Pv之和，即：

P=Pa+Pv　　（2-11）

（2）相對濕度　濕空氣中水蒸氣的實際含量（絕對濕度）ρv與同溫下的最大可能含量（濕容量）ρs的比值（附錄4），稱為濕空氣的相對濕度，用φ（％）表示，即：

式中　ρv——絕對濕度，即每立方米濕空氣中所含的水蒸氣質量，kg/m3，它數值上等于濕空氣中水蒸氣的密度；

ρs——濕容量，即飽和濕空氣的絕對濕度，kg/m3。

（3）濕含量（d）含有1kg的干空氣的濕空氣中含有水蒸氣的質量（g）。

（4）濕空氣的熱含量（I）含有1kg干空氣的濕空氣中含有的熱量（kJ/kg）。

I=ia+0.001div　　（2-14）

式中　ia，iv——分別為干空氣和水蒸氣的熱含量，kJ/kg。

（5）露點溫度　如果使未飽和濕空氣的水蒸氣含量不變，即pv不變，而將它逐漸冷卻至pv所對應的飽和溫度，它就變成了飽和濕空氣。這時若繼續冷卻，將有部分水蒸氣凝結為水而從空氣中析出，在容器壁上將出現露珠，這種現象稱為結露。通常把水蒸氣分壓pv所對應的飽和溫度ts，稱為濕空氣的露點溫度，用符號tp表示。

2.5.2　相對濕度的測定原理

相對濕度是表示濕空氣的成分的重要參數，是衡量干燥介質吸收水分的重要參數，準確測量濕空氣的相對濕度，對干燥過程的精確控制有著十分重要的作用。相對濕度的測定方法有許多種，常規干燥過程中多采用干-濕球式濕度計來測量，如圖2-24所示。它由兩支相同的玻璃溫度計組成，其中一支是干球溫度計，用來測定濕空氣的溫度，稱為干球溫度，用t表示。另一支是包有濕紗布（其紗布尾部浸入水中）的濕球溫度計，它所顯示的是濕紗布的水溫，稱為濕球溫度，用tw表示。將干-濕球式濕度計置于被測空間，如果它周圍的空氣是未飽和的（φ<1），那么紗布表面的水分就會從本身吸熱而不斷蒸發，因而使水溫下降，于是空氣與水溫間有了溫差，這一溫差促使周圍空氣向濕紗布傳熱。當水溫下降到一定的程度，使水蒸發所消耗的熱量正好等于周圍空氣所傳給的熱量時，濕球水溫不再下降而維持某一穩定的數值，此時濕球溫度計的度數，即為濕球溫度tw。通常濕球溫度總是低于干球溫度，而且空氣的相對濕度φ值越小，水分蒸發越快，濕球溫度就比干球溫度低得越多。相反，空氣的φ值越大，干、濕球的溫差就越小，當φ=100％時，干、濕球的溫度相等，二者的溫差為零。由此看出，干、濕球的溫差可以表征空氣的相對濕度，它們之間的關系可以寫成一般的函數關系：

φ=f（t，tw）　　（2-15）

但這個函數關系沒有簡單的數學表達式，通常由實驗測得大量的數據后，經過整理制成圖表（圖2-25）。根據測定的干球溫度和濕球溫度就可以從附錄4中查出濕空氣的相對濕度φ值。

從濕球溫度的形成過程可以看出，由于濕球紗布上的水不斷蒸發，緊靠濕球表面將形成很薄的飽和濕空氣層（φ=100％），這層飽和濕空氣的溫度非常接近水溫，即近似等于濕球溫度tw。這一飽和濕空氣層的形成過程，可以近似認為是等焓過程，這是因為濕球處吸熱的焓增，正好等于飽和濕空氣層附近空氣的放熱焓降，二者互相抵銷，其總的效果是濕球附近周圍空氣的焓H2，等于初態（即被測濕空氣）的焓H1。即：

H2=H1　　（2-16）

同時從濕球溫度的形成過程還可看出，濕球周圍飽和濕空氣層的蒸汽分壓大于被測濕空氣的蒸汽分壓，故通常情況下（φ<100％），濕球溫度高于露點溫度，而低于干球溫度。

必須指出，濕球溫度計的讀數和掠過溫度計的風速有關，在空氣濕度不變的情況下，當風速增加時，濕球溫度計的讀數將有所下降，但實驗表明，若風速在2～40m/s的范圍內，風速對濕球的影響很小，可忽略不計。

2.5.3　濕空氣的I-d圖

為了應用方便，濕空氣的溫度（t）、相對濕度（φ）、濕含量（d）、蒸汽分壓（Pv）及熱含量（I）等狀態參數之間的關系可以用線圖來表示，即濕空氣的I-d圖。圖2-26所示為I-d圖的樣圖（附錄5和附錄6），它的縱坐標為熱含量（I），橫坐標為濕含量（d），圖中的各組線系由濕空氣的狀態參數組成的。濕空氣的I-d圖不僅可以確定每一個狀態參數的數值，而且還可以直觀地描述濕空氣的加熱和冷卻過程、木材干燥過程中的水分蒸發過程以及不同狀態濕空氣的混合過程。

（1）濕空氣的加熱與冷卻過程　如圖2-27所示，從A→B為濕空氣的加熱過程，從A→C為濕空氣的冷卻過程。可以看出，在濕空氣的加熱和冷卻過程中，其濕含量不變。

當濕空氣繼續冷卻到P點時，達到飽和狀態，此時濕空氣的溫度（tp）稱之為露點溫度。

（2）木材干燥過程中水分蒸發過程　為了能用濕空氣的I-d圖描述水分蒸發過程，假設木材干燥過程中水分蒸發過程為絕熱過程，這樣就可以用濕空氣的I-d圖描述水分蒸發過程。如圖2-28所示，從A→D為水分蒸發過程。可以看出，在絕熱條件下的木材干燥過程中水分蒸發過程，其熱含量不變。

當水分蒸發過程繼續進行到M點時，濕空氣狀態達到飽和狀態，此時濕空氣的溫度（tM）稱之為冷卻極限溫度。

濕空氣冷卻極限溫度（tM）是指在絕熱條件下水分蒸發時濕空氣達到飽和狀態時的溫度。濕空氣冷卻極限溫度（tM）也叫干燥介質的濕球溫度。

（3）兩種不同狀態介質的混合　設nkg干燥室循環介質，其狀態為2（I2，d2），與1kg鮮空氣，其狀態為0（I0，d0），相混合，混合后介質狀態為C（Ic，dc）。根據混合前后熱含量和濕含量不變的原則，可以得出下式：

I0+nI2=（1+n）Ic　　（2-17）

d0+nd2=（1+n）dc　　（2-18）

上式為直線方程式，介質混合后的狀態點一定落在0—2這條直線上。圖2-29為兩種狀態干燥介質混合示意圖，點C把直線0—2分為兩段，兩段的比值為n，點C靠近分量較大的狀態點，如n>1，則靠近點2。

2.6　過熱蒸汽

2.6.1　飽和蒸汽與過熱蒸汽

（1）蒸氣　指離液態不遠的氣態物質。它們被壓縮或冷卻時，很容易變成液體。如水、氟利昂、氨及酒精等的氣態物質。

（2）水蒸氣　水蒸氣簡稱蒸汽。由于蒸汽的載熱能力強、價廉、易獲得、不污染環境，故工業上大量應用。

（3）飽和狀態　水在一定溫度下的密閉容器中蒸發時，由于蒸汽分子的紊亂運動，既有離開水面的，也有返回液體的。當達到離開液面的分子數與返回液面的分子數相等時的氣液動平衡狀態，稱為飽和狀態。

（4）飽和蒸汽與飽和水　處于飽和狀態下的蒸汽和水分別稱為飽和蒸汽和飽和水。

（5）飽和壓力和飽和溫度　飽和狀態時的壓力和溫度分別稱為飽和壓力（Ps）和飽和溫度（ts）。且二者之間互為函數，可用粗略的經驗公式表示兩者間的關系，即：

式（2-19）中飽和壓力Ps的單位為標準大氣壓力（1atm=1.0133×105Pa），飽和溫度ts的單位為℃。

（6）汽化潛熱　1kg飽和水變為飽和蒸汽所吸收的熱量（或者1kg飽和蒸汽變為飽和水所放出的熱量）稱為汽化潛熱，用γ表示，單位kJ/kg。由飽和水變為飽和蒸汽的過程稱為汽化階段。整個汽化階段始終維持飽和溫度（ts）不變。附錄7和附錄8中列出了不同溫度和不同壓力下水的汽化潛熱。

（7）干飽和蒸汽與濕飽和蒸汽　完全不含水的飽和蒸汽稱為干飽和蒸汽。在汽化過程中飽和水與飽和蒸汽的混合物稱為濕飽和蒸汽。

（8）過熱蒸汽　溫度高于同壓下飽和溫度的蒸汽稱為過熱蒸汽。例如標準大氣壓下的飽和溫度ts=100℃，飽和壓力Ps=0.1013MPa，則同壓下大于100℃的蒸汽均為過熱蒸汽。在鍋爐的過熱器中對干飽和蒸汽繼續加熱就變成過熱蒸汽。

2.6.2　過熱蒸汽的相對濕度

過熱蒸汽與濕空氣作干燥介質相比，其主要特征在于相對濕度的含義不同。由于過熱蒸汽干燥時木材干燥室內充滿了蒸汽，嚴格地說不存在空氣相對濕度的概念。但蒸汽的過熱度（即離飽和溫度的程度）不同，它吸收水分的能力就不同，過熱溫度越高（相應的飽和壓力越大），吸濕能力就越強。為反映過熱蒸汽的吸濕能力仍可借用濕空氣相對濕度的概念，但它與濕空氣的相對濕度的含義不同。過熱蒸汽的相對濕度反映它偏離飽和狀態的程度，故有的文獻又將過熱蒸汽的相對濕度稱為飽和度。

若以φ1表示過熱蒸汽的相對濕度，則：

式中　Ps——干燥介質溫度所對應的飽和壓力；

P——干燥介質的絕對壓力。

由于干燥介質溫度與它對應的飽和壓力Ps互為函數，由式（2-20）可看出：濕空氣作干燥介質時，其相對濕度與空氣溫度和空氣中的水蒸氣含量有關；而以過熱蒸汽作干燥介質時，其相對濕度與過熱蒸汽的溫度和干燥介質的壓力有關。

2.6.3　過熱蒸汽作干燥介質的主要優點

①節能效果顯著　因干燥室（機）排出的廢氣全部是蒸汽，可以用冷凝的方法回收蒸汽的汽化潛熱，故熱效率高，有時可高達90％。據國際干燥界咨詢委員會主席A.S.Mujumdar教授介紹，過熱蒸汽干燥木材的能耗大約是空氣干燥能耗的50％左右。

②干燥速率快　由于過熱蒸汽的比熱和傳熱系數比空氣大，同時過熱蒸汽干燥介質中的傳質阻力可忽略不計，故水分的遷移速度快，干燥周期可明顯縮短。

③干燥質量好　用過熱蒸汽作干燥介質時，由于物料表面濕潤、干燥應力小，不易產生開裂、變形等干燥缺陷；同時由于過熱蒸汽干燥無氧化反應，木材顏色不會退變，故干燥品質好。

當然，過熱蒸汽干燥也存在系統比較復雜、投資大，干燥室容量較小等缺點。因為過熱蒸汽干燥室要求密封性好，同時要添置排汽回收裝置，其設備投資比常規干燥高25％～30％。

2.7　木材在氣態介質中的對流干燥過程

2.7.1　木材的對流干燥過程

木材在氣流介質中的干燥過程主要包括預熱階段、等速干燥階段和減速干燥階段，如圖2-30所示。

（1）預熱階段（A—B段）鋸材干燥開始時首先要對鋸材進行預熱處理，目的是：提高木材溫度使其能夠均勻熱透；軟化木材，消除應力；打通水分通路；使含水率梯度和溫度梯度方向一致。其特點是使木材均勻熱透；不蒸發水分，但可以少量吸濕。

（2）等速干燥階段（B—C段）此階段主要是自由水的干燥過程。在等速干燥階段，由木材表面蒸發自由水，表層的含水率保持在接近于纖維飽和點的水平，此時有足夠數量的自由水供表面蒸發，干燥速度固定不變。只要介質的溫度、濕度和循環速度保持不變，含水率的降低速度也就保持不變。由于木材表層的自由水蒸發完畢后，內部還有自由水，所以曲線圖上向下傾斜直線線段的終了，并不等于說木材內的自由水已經完全排出。在等速干燥階段內，空氣溫度越高，濕度越低時，自由水蒸發越強烈。

（3）減速干燥階段（C—D段）在減速干燥階段，表層含水率低于纖維飽和點，由內層向表面移動的水分的數量小于表面的蒸發強度，干燥速度逐漸緩慢，到干燥終了時等于零，達到平衡含水率。因此，纖維飽和點以下的干燥階段叫減速干燥階段。

等速干燥期結束，減速干燥期開始這一瞬間的含水率，叫作臨界含水率MCC。由于鋸材厚度上含水率的分布不均勻，臨界含水率常常大于纖維飽和點。含水率越不均勻，MCC值就越大。干燥速度、被干鋸材的厚度和木材密度的加大，都會引起含水率在干燥過程中沿鋸材厚度上的不均勻，并使MCC的數值增大。干燥速度越大，被干鋸材越厚，密度越大，臨界含水率就越與初含水率接近，等速干燥期就越短。

2.7.2　干燥過程中木材水分的蒸發和移動

在以濕空氣為介質的對流木材干燥過程中，可分為木材表面的水分蒸發和木材內部的水分移動過程。木材干燥過程必須先使水分從木材內部向表面移動，木材表面水分在對流作用下蒸發時，木材表面及以下鄰近層自由水首先蒸發。大毛細管系統內的自由水先移動和蒸發，隨后是微毛細管系統也開始排出水分。由于木材具有一定厚度，在木材內部與表層間出現水分梯度——內部高外部低的含水率梯度，促使水分進一步向外移動。水分的移動是由許多因素共同作用而影響的。

（1）木材干燥過程中的水分蒸發

所謂蒸發是指在液體表面進行得比較緩慢的汽化現象。蒸發在任何溫度下都可以進行，它是由于液體表面上具有較大動能的分子，克服了鄰近分子的吸引力，脫離液體表面進入周圍空氣而引起的。蒸發的強度主要取決于液體的溫度，液體的溫度越高，分子的動能越大，蒸發過程就越快。此外，在相同溫度下，蒸發的速度還與蒸發表面積的大小及液面上的蒸汽密度（或壓力大小）有關。液體表面積越大，蒸發過程越快，若加大液面上的氣流速度，使蒸汽密度減少，也能使蒸發過程加快。水分蒸發時，只有當水面或濕物體表面上的空氣沒有被水分飽和時（相對濕度<100％）才可發生。相對濕度越小，表明空氣中水蒸氣分壓越小，蒸發速度就越快。在蒸發表面上常有一定厚度的薄層被蒸汽所飽和的空氣，表面上氣流速度越大薄層的厚度越小，從而蒸發也越快，因此表面氣流速度越大，蒸發越快。

具體到木材干燥過程中，主要是在木材表面的蒸發過程。濕木材表面的水分蒸發時，當表層含水率高于纖維飽和點時，與自由水的水分蒸發情況相同；木材溫度高時，木材表層的水分蒸發強度加大，濕空氣流速大時，水分蒸發快，木材干燥速度大。但當表層含水率降至纖維飽和點時，情況就不同了，此時木材表面的水蒸氣壓力低于同溫度下自由水面的水蒸氣分壓，蒸發強度降低，木材干燥過程變慢。木材中的水分蒸發不僅發生在木材的表面，在木材內部也有發生。即使在木材含水率很高時，木材孔隙內也還可能有許多氣泡，它們構成一個個小的蒸發面，隨著木材逐漸干燥，這些小蒸發面即與主蒸發面會合，如圖2-31所示。

（2）木材干燥過程中的水分移動

①自由水移動　木材表層細胞中的水分蒸發引起毛細管力，從而使木材中的自由水通過細胞腔和紋孔構成的通道移動；這個毛細管力對木材表層鄰近內層的自由水形成一個拉力。對自由水移動影響最大的是木材的滲透性。毛細管自由水移動所要求的能量最小，也是各種水分移動機理中最快的方式。這也是為什么充滿水的滲透性好的邊材比芯材干燥快的主要原因。毛細管水分的流動在木材紋理方向（縱向）比橫向（弦、徑向）快至少50倍。自由水的移動只能發生在有自由水存在時，即含水率高于纖維飽和點時；同時也要求從表層或蒸發區域到鄰近內部區域有連續的水分存在。因此，在高含水率時自由水移動較快。另一個影響自由水移動的因素是木材的溫度，木材溫度高時，水分的黏性降低，因此毛細作用力相同時水分移動會較快。

②蒸汽擴散　水蒸氣以擴散的方式移動，在這個過程中水分子在各個方向上隨機運動。如果一個區域的分子濃度較高，另一個區域的分子濃度較低時，離開高濃度區域的分子較進入高濃度區域的分子要多，因此含水率要降低；同樣，如果許多水分子被吸附、凝結或從其他區域移動過來時，擴散進入的水分子要比擴散出去的多，造成在某一方向上水分的移動。水蒸氣擴散速率與擴散分子的濃度差成正比，或更精確一些，與水蒸氣的壓差成正比。木材含水率低于纖維飽和點時，木材中蒸汽壓隨含水率升高而增大；當含水率高于纖維飽和點時，區域內部不會有明顯的蒸汽壓梯度，也就是說，當含水率高于纖維飽和點時不會有水蒸氣移動的發生。

因為要有連續的流動通道使蒸汽從一個區域擴散至另一個區域，因此純的蒸汽擴散只能在滲透性好的木材中才可能發生。滲透性是由木材細胞間的連接通道形成的，與木材的硬度或強度無關，只與這些連接通道的開度有關。液態或氣態的水分在滲透性木材中移動快，因此干燥快；而在滲透性不好的木材中，大部分或全部通道都被阻塞了，液態或氣態的水分的移動都會受阻。水蒸氣的擴散是與吸著水的擴散同時發生的。大部分樹種的邊材滲透性較好，而針葉材的芯材滲透性通常較差。

③吸著水擴散　吸著水是通過細胞壁進行擴散的。與蒸汽擴散一樣，較干的位置上離開的水分子較少，而濕的位置離開的水分子較多。木材中發生了從濕的區域到干的區域水分的移動。木材表面水分蒸發使表層成為最為干燥的區域，因此水分從濕的芯層向干的表層移動，并且形成了含水率梯度。吸著水擴散的驅動力與蒸汽擴散相同，都是蒸汽壓梯度。

④吸著水-蒸汽組合擴散　木材干燥中吸著水擴散和水蒸氣擴散都不是單獨進行的。在水分從木材中心向表層移動過程中，大部分水分是按下述順序移動的：在細胞壁中以吸著水形式擴散——蒸發到細胞腔——水蒸氣擴散通過細胞腔——下一細胞壁吸附——吸著水以擴散形式通過細胞壁——直到達到木材的表層。

當干燥發生于木材的端面時，遷移的水分通過的細胞壁較少，并且大部分的遷移是通過細胞腔，以水蒸氣擴散的方式快速移動，因此，木材端面的干燥比側面要快得多。密度大（重）的木材含有較高比例的細胞壁，而不像低密度（輕）木材含有較大比例的細胞腔；吸著水通過細胞壁較慢，因此低于纖維飽和點時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為阻力較大，會形成較大的含水率梯度，并且會形成較大的干燥應力，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。

吸著水和水蒸氣擴散途徑示于圖2-32中。水分子以蒸汽形式通過細胞腔凝結，以吸著水形式通過細胞壁再到下一個細胞腔，這個過程一直重復直到水分子到達木材的表面（圖2-32中A所示）。水分子以水蒸氣的形式通過細胞腔和紋孔，以吸著水形式通過紋孔膜或以蒸汽形式通過紋孔膜中的微空隙（圖2-32中B所示）。水分子以吸著水的形式連續從一個細胞壁到下一個細胞壁（圖2-32中C所示）。

水分在縱向上的擴散比橫向（弦、徑向）快10～15倍左右。而垂直于生長輪方向的徑向擴散又比平行于生長輪方向的弦向的擴散快一些，因為水分沿木射線的方向移動較快。這就是為什么弦向板（厚度為徑向）較徑向板干燥快的原因。雖然在縱向的水分擴散比橫向快很多，但在實際干燥中這只能在很短的時間內起作用。通常木材的長度方向遠比橫向大得多，因此大部分的水分都是通過木材橫向的寬面而蒸發的。當木材的寬度與厚度相差不大時，比如方材，干燥過程中的水分蒸發過程在寬度和厚度方向同時進行。

水分的擴散速率很大程度上取決于細胞壁的滲透性和它的厚度，因此滲透性好的樹種干燥速度明顯高于滲透性差的樹種，且當木材的密度增加時，水分擴散的速率下降；且木材中的侵填體及硬質沉積物也會導致水分通道的堵塞，從而降低水分的移動速率。

2.7.3　影響木材干燥速率的主要因素

影響干燥過程的因子主要包括：濕空氣的溫度、濕空氣的相對濕度（或干濕球溫差、平衡含水率）和氣流速度。

（1）溫度　干燥中的溫度又稱為干球溫度，因為溫度是用一個干的傳感器（通常用電傳感器）測量的。在鋸材干燥中所指的溫度是進入材堆時的空氣溫度，也是干燥室中的最高溫度，是干燥室中最易造成干燥缺陷的溫度。

木材溫度升高內部水分移動速度快，干燥速度快，且干燥質量較均勻。但溫度越高，鋸材的變形量越大，且木材的強度削弱越厲害，尤其是含水率較高時容易出現開裂的情況下木材溫度更為重要。干燥溫度還影響鋸材的變色及蟲害，這些缺陷發生的最適宜溫度為27～44℃，可通過干燥前對鋸材進行化學處理或將鋸材用55℃以上的溫度處理24h將蟲、蟲卵及霉菌殺死。鋸材含水率還很高時干燥溫度超過71℃，不論時間長短都會對木材強度造成損失；如果干燥質量優先考慮木材強度的話，干燥前期溫度不要過高。

（2）相對濕度　相對濕度是指空氣中所含水分與同溫度下空氣所能包含最大水分量的比值，通常用百分比表示。一般用濕球溫度來度量（在傳感器上覆濕蓋紗布后的溫度），濕球溫度除在相對濕度為100％時與干球溫度相同外，都低于干球溫度。給定干球溫度和干濕球溫差后可根據空氣的熱力學特性表查得相對濕度值。有些控制系統采用薄纖維片作為濕度傳感器，纖維隨空氣濕度的變化而吸收或放出水分，然后以此纖維片的電阻反映空氣的相對濕度。

在溫度與氣流速度相同的情況下，相對濕度越低，毛細管力越大。相對濕度低時，由于使木材表層含水率降低了，使含水率梯度增大了，從而增加了水分的擴散，鋸材干燥也增快。相對濕度低時對于防止木材干燥的變色有益，但相對濕度如果過低，就會造成干燥過快、開裂及蜂窩裂等干燥缺陷的發生或加重。在干燥后期用較低的相對濕度可減少變形，但相對濕度過低時會加大鋸材的干縮，反而加大變形。

濕空氣在穿過材堆時，相對濕度會因空氣吸收木材蒸發的水分及溫度的下降而上升，材堆空氣入口處的相對濕度最小，干燥強度最大。

（3）氣流速度　氣流速度與溫度和相對濕度一樣在鋸材干燥過程中極為重要，含水率在纖維飽和點以上時，氣流速度越大干燥速度越快（圖2-33）；材堆中氣流速度越大，材堆內相對濕度越均勻，但同時也增加了開裂的風險性。含水率在20％以下時，氣流速度對干燥速率與干燥質量影響不顯著，因為此時木材干燥速率由水分在木材內部移動的速度決定，而不是由表層水分蒸發的速度決定的。從圖2-33中可看出，鋸材含水率由大到小時，風速對干燥速度的影響也由大到小變化。基于此，可在干燥末期采用降低風速的方式來節省干燥能耗。高含水率時氣流速度與相對濕度間存在直接的關系，如果氣流速度降低的話，就降低了干燥速度，從而可以降低相對濕度來增加干燥速度進行平衡；也就是說可利用氣流速度與相對濕度的不同組合來達到要求的干燥速率。

2.8　木材干燥過程中的應力與變形

2.8.1　產生應力的原因與應力的種類

（1）干燥過程中木材產生內應力的原因

①木材構造上的各向異性　木材線性干縮是指順紋理方向、橫紋理方向（徑向和弦向）的干縮。木材順紋理方向干縮率很小，為0.1％～0.2％，徑向干縮率為3％～6％，弦向干縮率為6％～12％，弦向干縮為徑向干縮的兩倍。木材三個方向干縮差異是干燥過程中產生內應力的一個主要原因。

②木材斷面上含水率分布不均勻　含水率梯度存在于木材干燥的全過程。由于木材在干燥過程中木材斷面上含水率分布不均勻，以及各部分收縮量的差異是干燥過程中產生內應力的另一個主要原因。

（2）干燥過程中木材產生內應力的種類

①濕應力（彈性應力）是因鋸材斷面上各個區域的不均勻干縮所引起，它帶有時間性，隨著含水率梯度的消失，應力消失。此種應力是絕對彈性體的一種特征。

②殘余應力是因木材內部所產生的殘余變形而引起的，它與濕應力不同，在含水率平衡時并不消失，在干燥過程中和結束后均會發生。

③全應力。全應力=濕應力+殘余應力

干燥過程中影響干燥質量的是全應力，干燥結束后繼續影響木制品質量的是殘余應力。

2.8.2　木材干燥中產生應力與變形的過程

木材在室干過程中，內應力的變化過程可分為四個階段，如圖2-34所示。

（1）干燥開始階段　此階段木材各部分的含水率都在纖維飽和點以上，梳齒形試驗片每個齒的高度和未鋸開之前的原尺寸一樣。若把試驗片剖為兩片，每一片將保持平直狀態。這些現象充分表明，此時木材內既不存在濕應力，也不存在殘余應力。

（2）干燥前期階段　此階段中木材內層的含水率高于纖維飽和點，外層的自由水已蒸發完畢，正在因排出吸著水而干縮。此階段的木材內應力為外拉內壓應力。

從梳齒形試驗片上可以看出，表面幾層梳齒由于干縮而尺寸減小，內部各層梳齒仍保持原來狀態。這時表層干縮，而內層還未能收縮，于是表面各層因受到內部的拉伸而產生拉應力，內部各層則產生壓應力。

在這一階段中若把從木材上鋸下來的試驗片鋸成兩片，可以看到，剛剛鋸開時它們各自向外彎曲。把這兩片放入恒溫烘箱中或放在通風處，使含水率進一步降低并變得均勻。如果木材是理想的彈性體，在含水率分布均勻后，內應力即可消失試片齒形變為平直，尺寸恢復原樣。但木材既具有彈性，又具塑性。當木材內剛一發生內應力，同時也就出現了塑化變形。由于表層木材的尺寸，已經在一定程度上塑化固定，內層在含水率減少時，還可以自由干縮。因此，在兩片的含水率降低，并且分布均勻后，兩片的形狀就變成和原來的形狀相反的樣子，即向內彎曲。

在木材室干過程中，此階段需采取前期處理來提高木材外層的含水率，使已固化的部分重新變化恢復可塑，使木材應力得以削弱和緩和。

（3）干燥中間階段　當木材干燥到這一階段時，木材內部的含水率也低于纖維飽和點，若在上一階段中沒有采取前期處理，則被干木材表面各層，早已由于失去正常的干燥條件而固定于拉伸狀態。此時盡管內部的含水率還高于外部的含水率，但內部木材干縮程度卻已和外部木材塑化固定前產生的不完全的干縮相差無幾，內部尺寸與外部尺寸暫時一致。因此，在此階段內木材中的應力也暫時處于平衡狀態。

若把試驗片鋸成梳齒形，各個梳齒的長短暫時是一樣的，但在含水率下降后，中間的一些梳齒將因干燥而變短。若把試驗片鋸成兩片，兩片當時保持平直狀態，但在含水率降低并分布均勻后，原來在內層的木材由于干縮變短，使得兩片向內彎曲。這就表明，在這個階段內盡管暫時觀察不到被干木材中的內應力，但在干燥結束后，木材中的殘余應力仍將表現出來。

在室干工藝中，當被干木材干燥到這一階段時，通常對被干木材進行必要的、及時的、正確的中間處理，使已經塑化固定的外層木材重新成為可塑，從而使外層的木材得到補充收縮。

（4）干燥后期階段　在此階段，含水率已沿著木材的橫斷面變得相當均勻，由內到外的含水率梯度較小。如果在上階段中沒有進行中間處理，此時外層木材由于塑化變形的固定，早已停止收縮；內層木材隨著吸著水的排出而收縮，但受到外層的牽制不能完全收縮。木材外部受內部的干縮趨勢的影響，而產生壓應力；內部受外部已塑化固定的木材牽制影響而產生拉應力。內層和外層應力的性質和干燥前期相反。

此時若把試驗片鋸成梳齒狀，內層的一些齒在脫離了外層的束縛后，得以自由干縮，它們的尺寸比外層的短一些。若把試驗片鋸成兩片，剛鋸開時兩片向內彎曲，當它們的含水率繼續進一步降低并分布均勻后，向內彎曲的程度加強。

在木材室干工藝中，當被干木材干燥到此階段，木材含水率已降低到所要求的規定標準時，必須進行正確的平衡處理，以消除木材的殘余應力。