速生杨木高温干燥过程中的水份迁移

李大纲教授
摘要：本文讨论了速生杨木高温干燥过程中的干燥特性。结果表明：（1）在含水率较高的干燥初期，水分迁移的阻力在木材表面，水分迁移主要靠毛细管作用，传热对水分排除起主导作用；在含水率较低的干燥后期，水分迁移的阻力主要在木材内部，水分迁移主要以扩散方式进行，传热对水分排除降为次要地位。（2）表层与次表层之间的含水率梯度相差大。干燥温度为85℃、105℃、115℃和125℃条件下，表层与次表层之间大含水率梯度分别为18.87(%/mm)、19.58(%/mm)、20.31(%/mm)、39.40(%/mm)。
关键词：水分迁移、含水率梯度，高温干燥

    美洲黑杨已广泛种植于长江流域及其以南部分省份，该树种生长迅速，树干圆满通直，材质松软，出材率高，在木材加工行业已普及和推广。许多生产厂家针对其容易干燥的特点采用高温快速干燥的方法以满足生产需求，但由于 对木材在高温干燥中的特点不了解，往往造成皱缩、变形或干燥不均匀等各种干燥缺陷，影响产品质量。高温干燥在已被广泛用于干燥针叶树材中的松杉类等易于材以及阔叶树材中的部分材树种[1~4]。
1 试验材料及试验方法
    1．1 试验材料
    试材取自南京林业大学杨树组杨树试验基地的美洲黑杨（Populus deltoides Bartr.）树龄8年生，平均胸径26mm，树干圆满通直，无偏心。试材经四面刨光后的规格为2000mm×120mm×30mm。存入干燥实验室的水池中备用。
    1．2 实验方法
    试验在试验室的小型金属壳体的电加热干燥机内进行，为了比较高温干燥与常温干燥的差异性，选择了四种干球温度即85℃、105℃、115℃和125℃，在整个干燥过程中干湿球温度保持恒定，保持恒定的风速为1.0米/秒。
    试样每次锯切后在两端用SILICONE 338耐高温胶封涂。试验从湿材一直干燥到平均含水率低于16%，以便分析整个干燥过程中的水分变化规律。其中85℃用于模拟常规干燥，其它各温度用于分析高温干燥。
2 结果与分析
    2．1 含水率随时间的变化
    图1表示在干燥温度85℃、105℃、115℃和125℃下木材表层和中心层含水率随时间的变化。

    当表层的含水率没有达到FSP时，木材内部水分移动较慢，随着干燥的进行，表层与内层之间产生了毛细管张力差，在这种张力差的作用下，自由水按水分蒸发强度向表面移动。
    从图1中表层由直线向曲线转变的拐点可见，在这一瞬间以后，木材厚度上形成了两个区域，即含水率高于FSP的内层和含水率低于FSP的表层，在这期间，表层水分的移动受含水率梯度的作用，内层受毛细管张力作用。在干燥后期，木材内部不存在在液态自由水，只剩下吸着水，空气逐渐进入木材内部，充填了原来水分所占据的空间，当平均含水率降到FSP以下，蒸发速度进一步减慢，干燥曲线变平稳，干燥速度减慢，干燥阻力增大。
    对于干球温度为125℃的高温干燥，由于水分蒸发快，表层在5～7小时进入FSP，而中心层几乎从开始到结束都处缓慢干燥状态。常规干燥的干燥速度明显低于高温干燥，但变化规律与高温干燥相似。
    2.2 干燥速度及其特点
    从表1中可见，木材的平均干燥速度随干燥温度增加而增加。这是由于温度愈高，水分的动能愈高，处于活化状态的水分数量越多，木材内部水分向表面和迁移速度增加。从整个干燥过程来看，木材的平均干燥速度与表层的干燥速度相近；在FSP以上，表层的干燥速度是心层的2～3倍；在FSP以下，表层的干燥速度低于其它各层。这种在干燥初期干燥速度较高，在干燥后期干燥速度较低的现象表明，在含水率较高的干燥初期，水分迁移的阻力在木材表面，水分迁移主要靠毛细管张力作用，传热对水分排除起主导作用；在含水率较低的干燥后期，水分迁移的阻力主要在木材内部，水分迁移主要以扩散方式进行，传热对水分排除降为次要地位。
    2.3 沿木材厚度方向的含水率分布
    从图2中可见，木材的平均初含水率在170%到200%之间，并且在板厚方向分布较为均匀。木材一经干燥，表层含水率很快降低，如在干燥温度为125℃条件下，干燥5小时表层含水率降至FSP左右；115℃时5小时降至50%；105℃时5小时降至75%；干燥条件为85℃时5小时表层降到90%左右。这表明在不降低干燥质量的前提下，提高干燥温度是缩度干燥时间的有效方法。
    无论把水分运动的驱动力看作毛细管作用力（自由水运动）或水分密度梯度（吸着水运动）或蒸汽分压梯度（汽态的水分扩散），在干燥过程中木材内部自然 建立起来的含水率梯度都是必要的，但含水率梯度过大，会在木材中产生过大的湿应力，湿应力一旦超过木材组织特别是射线薄壁细胞的抗拉强度，在干燥前期会产生端裂、表裂，在干燥后期会产生心裂。
    对图2建立含水率梯度方程并求导数，发现表层与次表层之间的含水率梯度相差大。干燥温度为85℃条件下，当干燥时间17小时，平均含水率为98.83%时，表层含水率梯度为18.87(%/mm)；干燥温度为105℃条件下，在干燥时间为13小时，平均含水率为56.89%时，表层含水率梯度大为20.31(%/mm)；干燥温度为115℃条件下，在干燥时间为13小时，平均含水率为49.47%时，表层含水率梯度大为19.58(%/mm)；干燥温度为125℃条件下，在干燥时间为9小时，平均含水率为58.89%时，表层含水率梯度大为39.40(%/mm)。木材大含水率梯度有随干燥温度增加而增加的趋势。
3 结论
    （1）含水率较高的干燥初期，水分迁移的阻力在木材表面，水分迁移主要靠毛细管作用，传热对水分排除起主导作用；在含水率较低的干燥后期，水分迁移的阻力主要在木材内部，水分迁移主要以扩散方式进行，传热对水分排除降为次要地位。
    （2）表层与次表层之间含水率梯度相差大。干燥温度85℃、105℃、115℃和125℃条件下，表层与次表层之间大含水率梯度分别为18.87(%/mm)、19.58(%/mm)、20.31(%/mm)、39.40(%/mm)。