第二章與木材干燥有關的木材性質

2.1木材構造特征

2.1.1木材解剖特征對干燥的影響

木材中的水分要順利地向外移動，木材內部就必須有水分移動的通道，即細胞腔、紋孔、細胞間隙及細胞壁內的微毛細管等。這些通道若呈開放狀態，則木材容易干燥；反之，木材難干。所以說，木材解剖分子的狀態及特征對木材干燥時間的長短和干燥工藝的制定起著決定性的作用。

木材某些構造特征，會使木材干燥過程中產生一些缺陷。如早材與晚材變化為急變的木材，干燥過程中在早材與晚材的交界處易產生環裂；木射線含量多的樹種，特別是具有寬木射線的木材，干燥時易產生徑裂。闊葉樹材，由于邊材中含有侵填體的導管較少，多數導管呈開放狀態，邊材導水性較好；心材中多數導管內含有侵填體，使導管腔部分或全部被堵塞，心材導水性較差。因此，在干燥過程中心材和邊材產生不均勻的收縮應力，使木材在邊材和心材的交界處發生皺縮，特別是小徑木木材干燥時，易產生皺縮缺陷。2.2木材與水分2.2.1木材中的水分由來2.2.2木材的含水率及測定（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，簡稱MC）來表示，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分為絕對含水率和相對含水率兩種。木材干燥生產中一般采用絕對含水率（MC），即木材中水分的質量占木材絕干質量的百分率。

絕對含水率（MC）即木材中水分的質量占木材絕干質量的百分率。其計算公式如下：

式中，G濕是濕木材的質量/g；G干是絕干木材的質量/g。

（2）木材干濕程度的分級濕材：長期浸泡于水中、含水率大于生材的木材，如水運、水貯過程中的木材。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、相當于纖維飽和點的木材，一般在

22%~35%的含水率范圍內。氣干材：長期貯存于大氣中，與大氣的相對濕度趨于平衡的木材。其含水率取決于周圍環境的溫度和相對濕度，一般在8%~20%之間，我國國標把氣干材平均含水率定為12％。室干材：木材在干燥室內，以適當的溫度和相對濕度條件進行干燥，含水率約為7~15%的木材，通常根據木材使用區域、場合及用途等而定。絕干材：含水率為零的木材稱為絕干材或全干材。②電測法

即利用木材的電學性質如電阻率、介電常數等與木材含水率之間的關系，來測定木材的含水率。電測法木材含水率儀主要有兩類：1類是直流電阻式，利用木材中所含水分的多少對直流電阻的影響，來測定木材的含水率;另1類為交流介電式，即根據交變電流的功率損耗與木材含水率的關系而設計的含水率儀。結構簡單、生產上用得最廣的是直流電阻式。這種含水率儀實質上是一種兆歐表，其動作原理是在相當大的范圍內，木材的電阻率隨其含水率的變化而變化，且在室溫下，在6%-30%的含水率范圍內，木材電阻率的對數與木材含水率呈直線關系。所以只要用兆歐表測得木材的電阻值，就可知道含水率之值。制造公司已經過換算，把含水率數值直接顯示在表面上。含水率生材FSP狀態EMC狀態全干狀態

(25~30%以上)

(15%前后)(0%)結合水飽和狀態飽和狀態平衡狀態

極少自由水有極少沒有沒有細胞壁細胞腔結合水干燥自由水含水率生材FSP狀態EMC狀態全干狀態

(25~30%以上)

(15%前后)(0%)結合水飽和狀態飽和狀態平衡狀態

極少自由水有極少沒有沒有細胞壁細胞腔結合水干燥自由水2.2.4木材的吸濕與解吸

木材含水率在纖維飽和點以下，周圍空氣狀態（溫度、相對濕度）發生變化時，木材細胞壁中的吸著水含量也相應地變化。周圍空氣相對濕度較低，細胞壁中水蒸氣分壓比空氣中的大，水分由木材向空氣中蒸發，使吸著水含量減少，此現象叫解吸(Desorption)。解吸過程初期，木材的水分蒸發很強烈，即吸著水下降很快；隨著時間的延續，解吸過程逐漸緩慢，最后達到動態平衡或穩定，此時木材的含水率叫解吸穩定含水率。周圍空氣相對濕度較高，水蒸氣從空氣向木材細胞壁中滲透，即木材從空氣中吸濕，使吸著水含量增加，此現象叫吸濕或吸著(Adsorption)。木材含水率在吸濕過程中達到的穩定值叫吸濕穩定含水率。吸濕滯后現象：

在相同的溫濕度條件下，由吸濕過程達到的木材的平衡含水率低于由解吸過程達到的平衡含水率。一般吸濕滯后數值的變異范圍在1%~5%之間，平均值為2.5%。細碎或薄木料(如刨花、單板、薄木等)吸濕滯后很小，平均僅約為0.2%，可忽略不計。

吸濕滯后受樹種、空氣溫度、濕度、干燥過程等因素的影響，受熱溫度越高且時間越長，木材的吸濕性下降越明顯。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

薄小木料在一定空氣狀態下最后達到的吸濕穩定含水率或解吸穩定含水率叫做平衡含水率（Equilibriummoisturecontent，簡稱EMC）。

木材平衡含水率隨著周圍空氣的溫度和相對濕度的改變而變化。一定的空氣壓力下，溫度升高，水分子的勢能增加，容易脫離木材分子的束縛而蒸發，平衡含水率降低，但變化不大；一定的溫度條件下，平衡含水率隨空氣相對濕度升高顯著增大。當相對濕度升高到100%時，平衡含水率達到最大值，此時的平衡含水率也叫纖維飽和點。在實際生產中，可以根據空氣的溫、濕度（p14的表2-4）來查出木材的平衡含水率。

氣干鋸材的平衡含水率可粗略地認為：

室干材吸濕滯后數值較大，干燥期間介質溫度越高，干鋸材吸濕滯后的數值越大。木材干燥過程最終含水率通常情況下?。?/p>

：

*概念區別：吸濕和吸收：要分清兩個概念，即吸收和吸著。吸收是一種表面現象，比如液態水進入木材的細胞腔，成為木材中的自由水的過程；對于木材的吸濕過程，則是水分子以氣態形式進入細胞壁，與細胞壁主成分上的吸著點產生氫鍵結合的過程。

解析和干燥：是兩個不同的概念，解吸僅指木材細胞壁中吸著水的排除，而干燥則是自由水和吸著水二者的排除。

木材平衡含水率在木材加工利用上很有實用意義。木材在制成木制品之前，必須干燥到一定的終了含水率MC終，此終了含水率必須與木制品使用地點的平衡含水率相適應。即符合下式:(M衡-2.5%)<M終<M衡。如使用地點的平衡含水率為15%，則干燥的終了含水率以13%較為適宜。在這樣的含水率條件下，木制品的含水率能基本保持穩定，從而其尺寸和形狀也基本保持穩定。

按氣候資料查定的木材平衡含水率可作為確定干燥鋸材最終含水率的依據。含水率在纖維飽和點以上：大毛細管內存在著自由水和水蒸氣，細胞壁處于飽濕狀態，細胞壁內沒有含水率梯度，不存在擴散引起水分移動。細胞腔內自由水因被水蒸氣所飽和而不蒸發，腔內水蒸氣也不移動。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的情況下，自由水才移動。含水率在纖維飽和點以下：木材內水分移動有細胞壁內結合水移動和細胞腔內水蒸氣移動，此時水分靠含水率梯度的擴散作用而移動。針、闊葉樹材中水分移動的主要路徑不同：

針葉樹材中水分的移動路徑主要是由管胞內腔和具緣紋孔對組成的毛細管體系，另外在沿著纖維方向上垂直樹脂道，射線方向上射線管胞內腔和水平樹脂道也是水分的移動路徑。

闊葉樹材中水分的移動路徑主要是導管，還包括管胞、導管狀管胞等。（2）木材中水分移動的機理①依靠毛細管張力的毛細管水移動基于毛細管中彎液面的表面張力差而進行的。在毛細管系統中，細的毛細管則從粗的毛細管中吸取水分。②靠擴散進行的水蒸汽的移動只能在木材內充滿空氣的孔隙內進行。濕木材空隙內擴散的水蒸氣從潤濕的空隙壁的蒸汽壓高的一側蒸發,在空隙內移動,又重新在蒸汽壓低的一側凝結成水。③靠表面擴散進行的結合水的移動吸附于木材中的結合水得到能量時，可從吸附表面解吸，而產生移動；如果得到的能量不足以完全解吸時，則發生結合水沿著吸附面滑移的現象。這種分子由于濃度梯度或溫度梯度的作用,向著規定的橫向滑移，稱為表面擴散。這種被活化了的表面擴散，對于在纖維飽和點以下木材的水分移動是一個主要因素。④木材含水率

木材干縮和濕脹過程中，細胞腔內徑幾乎保持不變，只是細胞壁厚度有變化，干縮會引起紋孔膜上微孔的擴大。當含水率降低時，水分以液態在毛細管張力作用下沿著微毛細管移動的效率會減低，水分以汽態沿相鄰細胞腔、紋孔腔及紋孔膜微孔組成的大毛細管向木材表面擴散的效率增加。木材含水率從5%變化到纖維飽和點時，木材水分移動沒有明顯的變化。⑤溫度溫度升高可提高水蒸氣擴散強度和降低液態水粘度，在木材中沿移動途徑的水分移動均隨溫度升高而急劇地增加。與環孔闊葉樹材相比，散孔闊葉樹材和針葉樹材的水分移動會隨著溫度的升高而增加地更加劇烈。2.3木材的密度

木材密度是指單位體積的木材的質量，單位為g/cm3或kg/m3。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；就干燥工藝而言，密度較大的木材較難于干燥。常用的木材密度可以分為氣干密度、絕干密度和基本密度。①氣干材密度：是木材含水率為12％時的質量與體積之比。②絕干材密度：木材的絕干材密度是絕干狀態下木材的質量與其體積之比③基本密度（公定密度）：是木材試樣絕干重與試樣飽和水分時的體積之比。

最常用的是氣干密度和基本密度。絕干密度多用于基礎理論研究，而在生產上多采用木材氣干密度我國常用樹種的木材密度、干縮系數及干燥特性見表2-5（p16）所示。木材的密度測定方法見有關標準和教材有關章節，

2.4木材的干縮與濕脹2.4.1木材的干縮濕脹現象木材的干縮濕脹是指木材在絕干狀態至纖維飽和點的含水率區域內，水分的解吸或吸濕使木材細胞壁產生其尺寸縮減或增大、最終導致木材整體尺寸變化的現象。在木材的干縮濕脹過程中，尺寸的變化主要是體現在木材的細胞壁上，而木材細胞腔的尺寸是幾乎保持不變。2.4.3木材干縮濕脹的各向異性木材沿著年輪切線方向的干縮稱為弦向干縮；沿著樹干半徑方向或木射線方向的干縮稱為徑向干縮；整塊木材由濕材狀態到絕干狀態時體積的干縮稱為體積干縮。體積干縮在數值上近似為縱向、弦向、徑向干縮之和，由于縱向干縮極小，所以體積干縮也可以用徑向干縮與弦向干縮的和進行估算。

木材的各向異性主要反映在橫向、徑向、弦向三個切面上。木材構造上各向異性，使其在不同方向上干縮與濕脹也存在著明顯不同。木材干縮濕脹各向異性是指木材干縮與濕脹在不同方向上的差異。

對大多數樹種，體積干縮率為8.9%～26.0%；順紋(（縱向）方向干縮率最小，一般為0.1%～0.3%；而弦向最大，一般為6%～12%，徑向干縮率的范圍則為3%～6%。木材的順紋方向、徑向、弦向收縮率之比大約為0.5～1:5:10。在木材橫切面上，隨溫度上升（16～105℃），干縮濕脹各向異性度增大。隨木材密度增大，干縮濕脹各向異性度呈曲線下降，最終趨近于1；針葉材各向異性度下降程度比闊葉材顯著。

邊材干縮率大于心材，早材縱向收縮率大于晚材，幼齡材和應力木中縱向干縮率可能會較大。2.4.3木材干縮濕脹變化計算木材的干縮率和濕脹率可以用尺寸（體積）變化與原尺寸（體積）的百分率表示：有關木材干縮率與濕脹率的測定已列入國家標準，分別為GB1932－91和GB1934.2－91。干縮系數K(%)

：在纖維飽和點以下，木材含水率每減少1%所引起的干縮的數值（%）。分弦向干縮系數KT

（%）

、徑向干縮系數Kp（%）和體積干縮系數K體（%）

。

利用干縮系數，可以算出纖維飽和點以下和任何含水率相當的木材干縮率(%)的數值。計算公式：

YMC

=K(30–MC)%

對于斷面不大的方材，斷面上的生長輪近似平行直線，它與鋸口成α角，方材寬度或厚度干縮Yα可用下式確定：

Yα=YP

+(YT

-YP

)cos2α式中：α——生長輪的切線與木材寬度或厚度方向的斜角；

YP

——徑向干縮率；

YT——弦向干縮率。由上式可知，當α=0時，Yα=YP

+YT

-YP

=YT

，即寬度為弦向；當α=90o時，Yα=YP

+0=YP，則為徑向。

利用上述公式可計算木材加工過程應留木材干縮余量。木材變形、開裂原因多方面，如何判斷木材變形、開裂的難易程度，通常采用木材的差異干縮率(CS)來進行判斷。

差異干縮率用弦向干縮率與徑向干縮率之比表示，即：CS

＝YT

/YP

差異干縮率值愈大，木材愈易變形、開裂；當比值接近1時，表明木材弦向干縮與徑向干縮一致，木材干燥過程中，是均勻的干縮，不會變形、開裂。[例1]水曲柳抽斗面板成品厚度為20mm，成品含水率為10%，求濕材下鋸板材厚度應為多少?解：

水曲柳的徑向干縮系數0.184%，弦向0.338%(可由相關資料查出)。為保證尺寸，用弦向干縮系數計算。

由濕材到10%的干縮率：

YMC=KT(30-MC)=0.338%×(30-10)=6.76%。

設板材刨削余量為3mm，則刨削前干板厚度為：

B0=20+3=23(mm)

濕板厚度應為：

Bmax=B0/(1-YMC)=23÷(1-0.0676)=24.7(mm)[例2]一塊含水率為60%，長4000mm，寬150mm，厚40mm的紅松木板，厚度方向為徑向；問：用木材干燥室進行人工干燥，含水率達到8%時，這塊木板的寬度和厚度是多少？[解]由相關資料查出：紅松干縮系數KT=0.321%，Kp=0.122%。已知：板材原寬B=150mm，原厚H=40mm，MC=8%；寬度為弦向T方向，厚度為徑向P方向。則：徑向干縮率YP=KP(30-MC)=0.122%×(30-8)=2.684%

據干縮率定義YP={(H-H8)/H}×100%可得：

所求厚度H8=(100-2.684)×40/100=38.92(mm)

弦向干縮率YT=0.321%×(30-8)=7.062%

所求寬度B8=(100-7.062)×150/100≒139.407(mm)

理論上講，木材的干縮只有含水率降到纖維飽和點以下才發生。但實際生產上發現，當鋸材含水率遠高于纖維飽和點時，干縮就已發生。這主要由于鋸材干燥時，厚度方向上有較大的含水率梯度，當鋸材平均含水率遠高于纖維飽和點時，其表層含水率早已降到纖維飽和點以下，發生了干縮。從而使整塊鋸材產生少量的干縮。另外，干縮系數實際上也不是常數，當含水率較高時，干縮系數較小;含水率較低時，干縮系數一般較大。2.5木材的黏彈性

木材黏彈性主要研究木材應力與變形有關的性質及其影響因素，它包括木材的應力與應變、彈塑性、流變性（蠕變、松弛）等。

2.5.1木材的應力和應變木材受外力作用，所處條件使其不能產生慣性移動時，在單位長度上尺寸或形狀的變化稱為應變。應變分為正應變ε或剪應變γ。正應變＞0時稱為拉伸應變，＜0時被稱為壓縮應變。應變為無量綱單位，也可用其百分值（%）表示。

應力是指木材在外力作用下單位面積上的內力，其值與單位面積上所受的外力相等。

這個內力是木材受到外力作用時具有形變的趨勢，其內部各成分間及成分內各分子間相對位置和距離會發生變化，產生相應的抵抗外力所致變形作用的力，成為內力，并力圖恢復到變化前狀態；達到平衡狀態時，內力與外力大小相等，方向相反。

*影響木材應變的主要因素：自身的密度、管胞或纖維細胞壁微纖絲的角度以及恒定或變化的環境因素(大氣溫度、相對濕度)等。還取決于時間因素，長時間處于應力狀態或短暫時間的受力，應變大小不同；在較小應力和較短時間里，木材性能十分接近于彈性材料，反之則近似于黏彈性材料。2.5.2木材的彈性與塑性（1）木材的彈性當木材受到的外力在彈性極限以下時，所產生的變形在外力解除后便完全消失，這種變形稱為彈性變形。木材所具有的這種在外力解除后能完全恢復到原來形狀和尺寸的性質，稱為木材的彈性。木材在比例極限內，應力和應變的關系服從虎克定律，即應力與應變成正比，比例常數稱為彈性模量。彈性模量（E）=應力（σ）/應變（ε）

木材彈性模量是木材發生單位應變時的應力，它表征木材抵抗變形能力的大小。木材的彈性模量隨它的密度、含水率和溫度、微觀結構的變異、紋理的角度、節疤的大小與部位等的變化而異。（2）木材的塑性當木材受到的應力超過彈性極限時，應變并不隨應力成比例增加，而是應變迅速增大，即使應力不再增大，應變也能增加；木材的應力不變而變形繼續的性質稱為塑性。木材的塑性變形是指當外力去除后，也不能恢復到原狀的永久變形。木材塑性變形是由于微纖絲內應力過大造成破壞，引起共價鍵斷裂，細胞壁壁層的變形使細胞間出現永久性微細開裂。因此，塑性變形實際上是分子結構的變形和相互間相對相對移動的結果。（3）木材的黏彈性長期載荷下，變形隨時間而連續增加的性質即為木材的黏彈性。木材的蠕變

恒定應力下木材的應變隨時間延長而增加的現象稱為木材的蠕變。溫度對蠕變有顯著的影響，當空氣的溫度和濕度增加時，木材的總變形及變形的速度也增加。②木材的松弛木材的應力松弛是木材承受靜荷載后，在應變為常數的情況下，應力損失的速度。木材的蠕變和松弛的區別在于，蠕變是應力保持不變，應變隨時間而變化；松弛則為應變不變，應力隨時間變化。2.6木材的熱學性質2.6.1木材的比熱木材的比熱是指單位質量的木材試樣平均溫度變化1℃所吸收或放出的熱量，通常用符號C來表示，單位為kJ/(kg·K)。木材是有機多孔性材料，比熱比金屬材料大，但小于水（水的比熱為4.21kJ/kg·K）。我國紅松、水曲柳等33種氣干材的平均比熱為1.71kJ/(kg·K)，最大為1.89kJ/(kg·K)，最小為1.55kJ/(kg·K)。木材的比熱受溫度和含水率影響，與樹種、木材密度以及木材試樣在樹干中的位置等因子關系不大。絕干材比熱隨溫度升高增大，濕木材(含水木材)比熱隨含水率增加而增大。2.6.2木材的導熱系數

導熱系數表征物體以傳導方式傳遞熱量的能力。導熱系數基本定義為：以在物體兩個平行的相對面之間的距離為單位，溫度差恒定為1K時，單位時間內通過單位面積的熱量。單位為W/(m·K)或kcal/m?h?℃

。影響木材導熱系數的主要因素：①木材密度；②含水率；③溫度；④熱流方向。2.6.3

木材的導溫系數

導溫系數又稱熱擴散率。是表征木材在冷卻或加熱的非穩定狀態過程中，內部各點溫度趨于一致的能力(即各點達到同一溫度的速度)。導溫系數越大，則各點達到同一溫度的速度就越快。導溫系數通常用符號a來表示，其單位為m2/s。木材的導溫系數在一定程度上也要受到密度、含水率、溫度和熱流方向等因子的影響。2.6.4熱對木材性質的影響木材在受熱條件下，其物理力學性質會發生不同程度的改變或劣化，主要原因在于木材的結晶結構和化學組分在受熱后會發生改變。在一定溫度下進行木材熱處理時，在適當的時間階段內可發生非結晶纖維素中部分結晶化效應，導致木材吸濕性降低，彈性模量提高；如繼續延長熱處理時間，就會造成木材化學成分的熱分解，導致木材力學性質降低。適當溫度、時間條件下的水煮或汽蒸處理，可以起到釋放內部應力、降低吸濕性、固定木材變形的作用，因此在生產實踐中常被用于木材的軟化、干燥過程中的階段性處理、壓密化木材的變形固定等。2.7木材的電學性質

木材的電學性質泛指木材在直流電場和交變電場作用下所呈現的材料特性，包括木材在直流電場中的導電性、在交流電場中的介電性、及由外力作用引起壓電效應、熱電效應等。2.7.1木材的導電性質指在直流電下木材電阻、電導變化。木材電阻用電阻率來表示，電阻率為木材單位截面積及單位長度上的電阻值，單位為Ω·m，電阻率越大則木材導電能力越弱。

木材電導則用電導率來表示，電導率為電阻率的倒數，單位為Ω-1·m-1，電導率越大，則說明木材導電能力越強。

絕干木材電阻率為1014～1016Ω·m，屬電絕緣