平立娟，王喜明

(內蒙古農業(yè)大學 材料科學與藝術設計學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

干燥過程是許多行業(yè)生產加工重要的工序之一，同時干燥能耗占整個加工過程的絕大部分，占企業(yè)生產總能耗的40%～70%，占國民經(jīng)濟總能耗的12%左右[1]，但是通常干燥的熱利用率較低，木材行業(yè)干燥的熱利用率僅占30%～40%。干燥又容易引起開裂等缺陷，使得木材降等，因此，木材干燥是木材加工行業(yè)減少能耗，降低成本的關鍵[2]。此外，木材干燥過程釋放的有機揮發(fā)性氣體(VOCs)也會對人體和環(huán)境造成嚴重危害。所以，尋求高效、節(jié)能、環(huán)保的干燥技術始終是木材加工企業(yè)追求的目標[3]。

1 木材干燥能耗狀況

每年我國的鋸材用量約9 500萬m3，人工干燥量僅占24%[4]。我國的木材干燥設備落后且工藝不當，造成木材的嚴重浪費，熱效率低，通常一次能源的利用率僅僅為30%，遠低于發(fā)達國家[5]。表1是縱軸干燥室，干燥5 cm厚紅松和水曲柳齊邊板材的干燥能耗。

表1 木材干燥基本能耗

一般情況下，木材干燥過程的有效熱能約占總熱能的80%左右，殼體散熱等熱損失占總熱能消耗的20%。其中，有效熱能的60%隨木材中的水分蒸發(fā)排放到窯外，此時這部分高溫高濕空氣的熱能也認為是無效的。所以我國木材干燥企業(yè)在干燥生產節(jié)能減排等方面有很大的潛力[6-11]。

2 水分對干燥過程的影響

2.1 生材含水率

生材的含水率隨樹種、部位不同而有所差別。通常邊材的含水率大于心材，針葉材尤其明顯；有些樹種，其樹根部位的含水率常大于樹梢部位。這些不同導致每一塊木材的干燥特性有較大差異。

木材的含水率與離地高度有關。通常情況下，含水率隨離地高度增加呈先增大后減小的趨勢[12-13]，但是，鄧恩桉的含水率變化與此相反[14]。

2.2 與水分移動有關的木材性質的差異

木材在干燥過程中成分發(fā)生物理和化學變化，導致木材的結構發(fā)生變化[15]。不同的干燥方法、干燥基準，木材的物理力學性質和結構的變化程度也有所不同[16]。云南松人工林木材干燥時的抗彎強度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強度等力學性質與木材的密度呈正比[17]。

木材是由木材實質、水分及空隙組成的多孔性材料。木材實質是不包含內部空隙的細胞壁物質；木材空隙中的空氣對木材的質量沒有影響，空隙中的水分的質量隨環(huán)境的變化而變化。由于木材細胞壁的質量是恒定的，木材中的水分含量認為只與其密度有關。

速生楊成熟材從地面到樹梢基本密度先變大后變小，從離地高度不同的3處取樣密度的最大差異為3.6%[18]，小于成材樹種軸向密度不低于10%的變化[19-21]。

木材的基本密度和含水率與樹株個體有關。不同速生楊清林樹株，其含水率和基本密度不同[13]；不同世代杉木的密度不同[22]。不同樹株間，基本密度受環(huán)境影響的變化小于含水率的變化。

2.3 木材中各種狀態(tài)水分的干燥能耗[23]

自然界中水分的存在狀態(tài)基本有3種：水蒸汽、液態(tài)水和冰。不同狀態(tài)的勢能不同，3種狀態(tài)通過吸收釋放能量相互轉變。木材中的水分與自然界中的水分有所不同，主要是2種形式的水分，即細胞腔中與木材相互作用力小、與液態(tài)水性質相似的自由水和細胞壁中與木材結合作用較強的吸著水[24]，木材中水分的勢能如圖1。由于木材中水分所處的位置不同水分、與木材的結合力不同，水分勢能不同，水分蒸發(fā)所需要的能量不同。干燥過程中當含水率降到纖維飽和點以下時，木材中吸著水與木材結合的作用力大，水分蒸發(fā)所需的熱能越多[25]。由圖2可知，每蒸發(fā)1 kg水分所消耗的能量隨含水率的降低而快速增加，5%以下的初級吸附水蒸發(fā)所消耗的能量要比5%以上水分蒸發(fā)多消耗247 J/g。在干燥末期含水率只要降低1%，就要耗用大量的熱量，這是因為脫出結合水所需克服的潤濕熱隨含水率的降低而急劇上升，而且隨木材中纖維狀況而異的擴散系數(shù)在含水率降低后變得越來越小，從而使傳導速度變小，既影響干燥速度，又耗用了大量的熱量，圖3更細分了不同含水率時水分的濕潤微分熱、自由能及熵與含水率關系，可知隨含水率的降低這3個能量的消耗在快速增加[26]。當含水率降低時，木材中微毛細管傳導水分的效率降低，而水分通過大毛細管傳導的效率增加；當含水率較高，木材中的水分傳導不存在這種規(guī)律[27]。

圖1 木材中的水分勢能

3 木材分級干燥過程的研究

3.1 含水率分級干燥理論

干燥過程中由于木材材性、木材內水分遷移特性等不同，干燥結束時，同一鈑材的橫斷面之間在終含水率分布不均的情況[28-29]。終含水率不均勻或有殘余干燥應力，使得木材降等率增大、廢品率增多、后續(xù)加工中會引發(fā)各種機械加工缺陷，而且還使刀具等消耗增長，生產成本上升，降低了實木產品的市場競爭力。一般采用在干燥末期進行調濕處理，及時消除干燥后木材內部的含水率梯度，并使木材內殘余應力得到釋放[30]。

圖2 每蒸發(fā)1 kg水分所消耗的能量與初、終含水率的關系

圖3 濕潤微分熱、自由能及熵與含水率關系

目前，國內外大多木材加工企業(yè)進行調濕處理時無法實時檢測干燥應力的消除狀況，調濕處理時間的長短往往取決于試驗操作者的經(jīng)驗，導致調濕不精確。一般情況下，傳統(tǒng)的調濕處理只能釋放一部分殘余應力，現(xiàn)在，人們以剖面含水率和應力試片間距來判斷應力的釋放程度[31]，以切片法分析調濕處理中的殘余變形，歸納總結了殘余變形減小量的公式，以期預測調濕處理的時間[32]。

目前，國內大多數(shù)木材加工企業(yè)使用的木材干燥養(yǎng)生處理設備是平衡養(yǎng)生窯，木材干燥后養(yǎng)生處理可以減少變形、開裂等干燥缺陷[33]。但是，絕大多數(shù)木材加工企業(yè)對于干燥養(yǎng)生處理都是僅憑經(jīng)驗象征性放置一段時間，平衡養(yǎng)生窯并未得到充分利用。近幾年來，學者們主要關注基于膠黏劑固化的木質刨花板的養(yǎng)生處理[34]，但是木材干燥后的養(yǎng)生處理的研究基本空白，所以實施含水率分級干燥技術是十分必要的。

對于針葉樹材，含水率分級是十分有必要的，天然林針葉材與速生人工林針葉材的初含水率普遍存在很大差值，速生人工林針葉材幾乎全部含有不規(guī)則的濕心材，濕心材含水率較高，比正常材的含水率高1倍左右。同一干燥窯內當濕心材和正常材同時存在時，按照正常材的干燥基準達到平衡含水率時，濕心材的含水率還很高，可能存在含水率大于纖維飽和點的濕心材，導致整批干燥鋸材的干燥質量較差，干燥后的鋸材可能存在開裂等干燥缺陷。干燥濕心材時應選用較為溫和的干燥基準，且由于濕心材的含水率較高，其干燥周期往往比正常材多出1倍左右。在實際生產過程中，為了保證每次干燥鋸材最終含水率的均勻性，在干燥的末期都要實施最終處理，把高含水率木材的水分降下來的同時，低含水率的木材進行了過度干燥，再做調濕處理，把過度干燥木材的含水率提高至平衡含水率要求。這樣不僅延長了干燥時間，還增加了干燥成本?；诖耍岢瞿静暮史旨壐稍锏脑O想，改革木材干燥工藝，減少木材干燥過程的能耗(圖4)。

圖4 分級干燥的節(jié)能原理

由于木材存在明顯的各向異性，在木材干燥時，當規(guī)格、干燥周期和環(huán)境都相同的條件下，相同的干燥室內不同板材的含水率和同一板材不同部位的含水率之間都會存在差別。所以，木材在干燥過程中，如果不能明確板材的初含水率，就會直接影響到干燥基準的確定，進而影響木材的干燥質量，還會造成木材損失和成本提高等，同時也不符合國家節(jié)能環(huán)保的要求[35]。

3.2 分級干燥對木材干燥效率的影響

木材干燥過程的干燥效率一般包括干燥質量和干燥周期。

3.2.1 分級干燥對木材干燥質量的影響 現(xiàn)代木材干燥技術要求干燥效率高，周期短，變形、開裂等干燥缺陷少，并且干燥成本較低[36]。一件實體木制品通常是由多塊板材膠合而成的，若這些板材含水率不均勻，在使用過程中往往會因一塊高含水率板材的干縮而導致整個部件產生內部拉應力，從而導致幅面的局部開裂或破壞性變形。有研究表明，由于木材加工時對原材料含水率掌握不準確造成的木制品質量問題占75%左右。

同一干燥室生產的合格三級鋸材最高和最低含水率的差值為10%。以水曲柳鋸材為例[37]：其弦向、徑向和體積干縮系數(shù)分別為0.338%、0.184%和0.548%。10%含水率差值的水曲柳板材的干縮率差值分別為3.38%、1.84%和5.48%。如1塊寬度為100 mm的弦切板，10%含水率差值所引起的干縮差值為3.38 mm。這一干縮差值必然在這個制品中產生內應力，最終導致制品變形和開裂。

木材干燥時要求依據(jù)高含水率木材的應力和含水率變化作為判斷標準[38]。依據(jù)高含水率木材制定的干燥基準很可能不適用于低含水率木材，勢必會影響這部分木材的干燥效率；并且當高含水率木材達到平衡含水率要求時，低含水率木材勢必已經(jīng)導致過度干燥，可能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

不同含水率的木材對于機械加工缺陷程度的影響也不一樣，例如，機械加工時的切削溝紋和毛刺紋隨含水率的增加而增多，含水率<5%時，切削溝紋更頻繁發(fā)生。木材機械加工時，含水率過高過低會產生凹凸紋。這些缺陷在木制品完成前往往不顯示，但是對實木產品的質量和使用性的影響較大。通常減小終含水率差異可以減小這些缺陷。木材機械加工的含水率在8%～12%條件下最適宜，在使用中維持在該含水率范圍，可以最小化的減小機械加工缺陷[39]。

3.2.2 分級干燥技術對木材干燥周期的影響 在木材加工過程中，一般國內大多數(shù)企業(yè)都是將生材簡單裝堆等待后續(xù)干燥處理，這種方法無法保證同批試件的初含水率相同。在氣干下，生材含水率普遍下降較快，含水率平均每天下降1.5%～2%。鋸材進行干燥時依據(jù)不同的含水率進行分批干燥，干燥順序有先有后，這就導致不同批鋸材的干燥周期不同[40]。將含水率在90%的鋸材干燥到12%所需要的干燥時間，將會是把含水率在30%的鋸材干燥到12%所需時間的4倍左右。同一樹種，當干燥窯木材容量、工人的數(shù)量和工資等都相同時，把30%初含水率的鋸材干燥到12%的含水率需要支付給工人的工資是將初含水率為90%的鋸材干燥到含水率為12%時支付給工人工資的1/4左右[41]。

對楊木進行高溫干燥處理時，利用時域核磁共振技術(TD-NMR)研究干燥過程水分的分布情況，發(fā)現(xiàn)在干燥過程中，心材內長弛豫時間自由水的擬合面積先減小后增大然后又減小。高溫干燥時自由水的蒸發(fā)速度遠大于結合水；邊材含水率減少的速達大于心材。這主要是因為通常邊材的密度小于心材，心材中常存在較多對侵填體導致心材內水分的運輸能力下降，干燥時水分的蒸發(fā)速度減慢；而邊材結構疏松，內部存在較多空隙，雖然含水率小于心材，但邊材內自由水的最長弛豫時間遠大于心材，木材對水分的束縛作用減弱，水分易于排出木材[42]。

3.3 分級干燥對木材干燥過程節(jié)能減排的影響

木材干燥過程中，水分蒸發(fā)主要發(fā)生在木材表面。在板材各層含水率都在纖維飽和點(FSP)以上時，板材表層的水分蒸發(fā)情況可以認為是自由水的蒸發(fā)，這時，木材含水率越高，干燥耗能越大[43-44]。當表層含水率開始降到FSP以下，木材內部含水率仍在FSP以上，木材內部水分幾乎全部為吸著水，在內外含水率梯度的作用下，吸著水通過細胞壁的擴散速度遠小于水蒸氣速度，吸著水穿過細胞壁的擴散系數(shù)與木材吸著水的含水率有關。含水率越高，木材中吸濕點與水分的結合能越小，在FSP時，結合能趨近于零。含水率

從表1可以看到，紅松和水曲柳每蒸發(fā)1 kg水分的平均能耗分別為2 319 kJ/kg和2 344 kJ/kg，依據(jù)BET[45]吸附理論和Dent水分吸著理論[46-47]，5%以下的水分為初級吸附水，木材內表面全部初級吸著點被單層水分子覆蓋時的含水率為7.5%，初級吸著水的自由能增量為-205 J/g，次級吸附水的自由能增量為42 J/g，兩者的極差為247 J/g，即每蒸發(fā)1 g初級吸附水比蒸發(fā)1 g次級吸附水多消耗能量247 J。所以，過度干燥所形成的能耗是巨大的。

圖5[48]利用3個含水率狀態(tài)(干燥狀態(tài)、FSP和飽水狀態(tài))下試材的橫向弛豫時間(T2)分布，表示木材干燥過程中水分的變化情況。從圖5可以看出，隨著干燥過程的進行，自由水和吸附水弛豫峰的峰面積都在不斷減小，弛豫峰的頂點位置左移，表示自由水和吸附水的含量呈減少趨勢，平均橫向弛豫時間變短。即在干燥過程中，木材對殘余水分的束縛作用逐漸增強，干燥難度越來越大，干燥耗能逐漸增加。

圖5 不同含水率狀態(tài)下試材的T2分布

4 含水率分級干燥的實施

將木材含水率分級技術應用到木材加工行業(yè)中，只需增加木材含水率分級設備，將板材按照含水率大小分級干燥、管理和使用，干燥過程中盡量實現(xiàn)智能監(jiān)控[49]，根據(jù)含水率變化及時調整干燥基準。木材含水率的檢測方法很多，其中無損檢測方法可實現(xiàn)在線連續(xù)檢測板材的含水率，適用于木材含水率分等。如高頻含水率和聲發(fā)射技術[50]應用與木材干燥中，測定技術可以將電極板安裝在木材上方，當木材通過時發(fā)出高頻波測量木材的含水率，并借助機械裝置將不同含水率的板材分級堆放和使用，并可以檢測由應力應變引起的干燥缺陷。對于規(guī)格鋸材也可以使用質量法，依據(jù)板材的重量推算木材的含水率實現(xiàn)分級。

5 結論與展望

提高我國木材干燥的技術水平，減少木材干燥能耗以及采取節(jié)能降耗措施，是一項復雜而又繁瑣的任務。所以采用合理的干燥技術以提高木材的干燥質量、降低干燥成本是干燥行業(yè)一直以來追求的目標。采用含水率分級技術，可以達到縮短干燥周期，降低能耗，提高干燥質量的目的。但是關于木材的含水率分級標準并不明確。接下來的研究應該根據(jù)干燥材用途要求，在節(jié)能經(jīng)濟的基礎上，制定合適的含水率分級標準。尋求綠色高效節(jié)能的干燥技術對木材加工企業(yè) 提高生產效率、降低成本具有重要的社會價值和經(jīng)濟價值。