木材的平衡含水率與應(yīng)用

...wd......wd......wd...木材的平衡含水率及其應(yīng)用我國(guó)的一些家具廠生產(chǎn)的家具與制品，造形美觀，制造工藝精良，在當(dāng)?shù)厥褂貌](méi)有什么質(zhì)量問(wèn)題，但出口到國(guó)外，使用一段時(shí)間后，就產(chǎn)生開(kāi)裂、變形，嚴(yán)重的引起索賠。還有些鋸材經(jīng)過(guò)窯干后，含水率完全符合要求，枯燥質(zhì)量很好，但做成木制品后，含水率卻超標(biāo)了。以上這些質(zhì)量問(wèn)題，都與木材的平衡含水率有關(guān)。只有真正理解并正確應(yīng)用木材的平衡含水率，才能生產(chǎn)出符合用戶要求的木制品。1木材平衡含水率的概念及其影響因子木材由多種細(xì)胞組成。細(xì)胞又有細(xì)胞壁和細(xì)胞腔。在細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙中的水分，受到木材組織的束縛力很小，甚至無(wú)束縛力，這類水分稱為自由水；而細(xì)胞壁中的水分受到的束縛力較大，因此稱為吸著水。濕材置于枯燥的環(huán)境中，木材的水分會(huì)向周圍空氣中蒸發(fā)。首先蒸發(fā)自由水，當(dāng)細(xì)胞腔內(nèi)液態(tài)的自由水蒸發(fā)殆盡，而細(xì)胞壁內(nèi)的吸著水仍處于飽和狀態(tài)時(shí)，這時(shí)木材的含水率狀態(tài)叫纖維飽和點(diǎn)。在纖維飽和點(diǎn)以下，每當(dāng)周圍空氣狀態(tài)〔溫度、相對(duì)濕度〕發(fā)生變化，木材細(xì)胞壁中的吸著水含量也相應(yīng)地變化。假設(shè)周圍空氣的相對(duì)濕度較低，細(xì)胞壁中的水蒸氣分壓比空氣中的大，則水分由木材向空氣中蒸發(fā)，使得吸著水含量減少，此現(xiàn)象叫解吸。解吸過(guò)程初期，木材的水分蒸發(fā)很強(qiáng)烈，即吸著水下降很快；隨著時(shí)間的延續(xù)，解吸過(guò)程逐漸緩慢，最后到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡或穩(wěn)定，此時(shí)木材的含水率叫解吸穩(wěn)定含水率。相反，當(dāng)周圍空氣的相對(duì)濕度較高時(shí)，細(xì)胞壁中的水蒸氣分壓比空氣中的小，則水蒸氣從空氣向細(xì)胞壁中滲透，即木材從空氣中吸濕，使得吸著水含量增大，此現(xiàn)象叫吸濕。木材含水率在吸濕過(guò)程中到達(dá)的穩(wěn)定值叫吸濕穩(wěn)定含水率。細(xì)薄木料在一定的空氣狀態(tài)下，最后到達(dá)的解吸穩(wěn)定含水率或吸濕穩(wěn)定含水率，叫平衡含水率。但是，干鋸材在吸濕時(shí)到達(dá)的穩(wěn)定含水率，總是低于同樣氣候條件下濕鋸材在解吸時(shí)的穩(wěn)定含水率，此現(xiàn)象叫吸濕滯后。在相對(duì)濕度范圍為60%～90%時(shí)，多種鋸材的吸濕滯后平均值約為2.5%。細(xì)薄木料及氣干材的吸濕滯后很小，生產(chǎn)上可忽略。高溫窯干材的吸濕滯后較大，可高達(dá)5%。木材的平衡含水率隨周圍空氣的溫度和相對(duì)濕度而異。在一定的空氣壓力下，空氣溫度升高，則平衡含水率降低，但變化不大。在指定的溫度下，木材的平衡含水率隨著空氣相對(duì)濕度的升高顯著加大。當(dāng)相對(duì)濕度升高到100%時(shí)，則平衡含水率達(dá)最大值，此時(shí)的平衡含水率也叫纖維飽和點(diǎn)。在生產(chǎn)上，可用干、濕球溫度計(jì)來(lái)測(cè)空氣的相對(duì)濕度，從而查出木材平衡含水率，見(jiàn)表1當(dāng)干濕球溫度差〔即濕度計(jì)差〕為0時(shí)，則空氣的相對(duì)濕度為100%。這時(shí)，平衡含水率〔即纖維飽和點(diǎn)〕隨空氣溫度的升高而降低，如40℃時(shí)，平衡含水率為29%，70℃時(shí)為26%，而100℃時(shí)，則降為22%。木材平衡含水率是制定枯燥基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)枯燥過(guò)程，控制倉(cāng)庫(kù)中干鋸材和木制品的尺寸，擬定各種木制品所需枯燥到的終含水率等所必須考慮的重要問(wèn)題。在木材枯燥和木制品生產(chǎn)中有很大的實(shí)用價(jià)值。2我國(guó)各地區(qū)的平衡含水率分布及推薦的木制品的含水率我國(guó)是一個(gè)幅員遼闊、氣候多樣的國(guó)家，從西北到東南氣候逐漸溫暖、潮濕，因此木材的平衡含水率從西北向東南逐漸增高，變化規(guī)律明顯，并可劃分為9%、11%、13%、15%、16%等幾個(gè)帶狀區(qū)。即新疆大局部地區(qū)〔北疆局部除外〕和xx、青海、甘肅、內(nèi)蒙四省〔區(qū)〕西部的平衡含水率約為9%～10%；以上四省〔區(qū)〕的東部平均約為11%；四川和云南西部、陜西、山西、山東、河南、河北及東北三省一帶的平衡含水率平均約13%；四川和云南東部、中南、華南及長(zhǎng)江中、下游廣闊地區(qū)約為15%；海南、雷州半島、臺(tái)灣及浙江沿海地區(qū)平衡含水率最高，約為16%?？紤]到鋸材的吸濕滯后，因此在我國(guó)以上各地區(qū)使用的鋸材，枯燥的終了含水率應(yīng)相應(yīng)作7%、8%、10%、12%及13%的分布。必須強(qiáng)調(diào)，以上分析只是根據(jù)我國(guó)各地區(qū)的氣候條件得出的結(jié)論。沒(méi)有考慮室內(nèi)人工小氣候的情況。實(shí)際上我國(guó)黃河以北的北方廣闊地區(qū)，每年都有相當(dāng)長(zhǎng)的采暖期，這時(shí)室內(nèi)的空氣條件與室外大氣條件相距很大。采暖時(shí)室內(nèi)溫度約為18℃～20℃，相對(duì)濕度約為28%，這時(shí)平衡含水率只有6%，而夏天東北廣闊地區(qū)的平衡含水率高達(dá)15%。因此，有采暖的北方廣闊地區(qū)，室內(nèi)鋸材和木制品的含水率全年隨季節(jié)變化的范圍約為6%～12%。考慮到木材的吸濕滯后，木制品寧可干些，所以，北方地區(qū)室內(nèi)所用的木制品，應(yīng)枯燥到約6%～8%的含水率。但南方廣闊地區(qū)，全年氣候溫暖潮濕，一般無(wú)采暖，故木制品只需枯燥到10%～12%的含水率。如果在南方生產(chǎn)的木制品，不考慮北方干旱的氣候或忽略室內(nèi)采暖后空氣的燥熱，則木制品運(yùn)到北方使用后，就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂和變形。3美國(guó)、日本、歐洲的平衡含水率分布及推薦的木制品含水率隨著我國(guó)改革開(kāi)放的不斷深入，家具木制品的出口量不斷增大。主要是去北美、日本和歐洲市場(chǎng)。因此，有必要了解那些地區(qū)的氣候特點(diǎn)及對(duì)木制品含水率的要求。美國(guó)的東南沿海及西部沿海地區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，木材的平衡含水率較高，因此，木制品只要求枯燥到約11%的終了含水率。但西南部?jī)?nèi)陸地區(qū)氣候枯燥，在那兒使用的木制品，需枯燥到約6%的終了含水率。其余的廣闊美國(guó)地區(qū)，室內(nèi)使用的木制品應(yīng)枯燥到約8%的含水率〔表2〕。日本為島國(guó)，氣候較濕潤(rùn)，在日本長(zhǎng)期使用的各種木制品的含水率要求見(jiàn)表3。歐洲各國(guó)的平衡含水率分布，也有一定的地域和氣候規(guī)律?？傮w上講，北歐和東歐各國(guó)〔如冰島、挪威。瑞典、芬蘭、丹麥、愛(ài)爾蘭、英國(guó)、俄羅斯、波蘭、捷克等〕氣候較嚴(yán)寒，木材平衡含水率較高，全年含水率變化范圍為12.5%～22%，冬季極端最高值達(dá)24.9%。而歐洲南部各國(guó)〔如西班牙、萄葡牙、意大利、馬耳他、希臘。塞浦路斯、保加利亞、土耳其等〕氣候溫暖，木材平衡含水率較低，全年含水率變化范圍為7.5%～17.8%。一年之中，又以夏季〔6、7、8月〕平衡含水率最低，為7%～8%，極端最低值為6%；冬季〔12、1、2月〕較高為17.8%。其余的西歐國(guó)家〔如法國(guó)、德國(guó)、荷蘭、比利時(shí)、盧森堡、瑞士、奧地利等〕全年平衡含水率變化范圍為10%～20%，具體數(shù)值參見(jiàn)表4根據(jù)以上平衡含水率數(shù)值，則歐洲南部國(guó)家使用的木制品，應(yīng)枯燥到7%～11%的含水率。北歐、東歐和西歐國(guó)家，因室內(nèi)采暖時(shí)空氣較枯燥，故室內(nèi)木制品應(yīng)枯燥到6%～8%的含水率，而室外用的建筑木構(gòu)件和木制品只需枯燥到約9%～14%的含水率。所以，木制品不管國(guó)內(nèi)使用，還是出口，都應(yīng)根據(jù)使用地點(diǎn)的氣候條件，并兼顧有無(wú)室內(nèi)采暖的要求，來(lái)確定木材枯燥的終了含水率，才能保證木制品的尺寸和形狀的穩(wěn)定性。4鋸材預(yù)汽蒸處理和枯燥過(guò)程中的平衡含水率由于脫脂和改變顏色等的需要，鋸材〔特別是松木鋸材〕枯燥前，有時(shí)經(jīng)預(yù)汽蒸處理。不少人認(rèn)為汽蒸處理只是將鋸材熱透，不會(huì)改變木材的含水率。其實(shí)不然，因?yàn)樵诔猴柡驼羝矞囟?00℃，相對(duì)濕度100%〕條件下，木材的平衡含水率只有22%〔見(jiàn)表1〕。濕材或生材在這樣的介質(zhì)條件下，其表層含水率會(huì)向22%靠近，從而失去很多水分。對(duì)于松木等軟材，一般不會(huì)因此而開(kāi)裂但對(duì)于硬闊葉樹(shù)濕材，在飽和蒸汽條件下汽蒸，就會(huì)由于表層水分較快的蒸發(fā)而產(chǎn)生表裂；故硬闊葉樹(shù)濕材應(yīng)采用70～80℃的飽和濕空氣來(lái)汽蒸，這時(shí)平衡含水率為26%～25%，且溫度比100℃大幅度降低，因此，木材表層水分蒸發(fā)要緩和得多，從而可防止表裂。相反，假設(shè)鋸材為半干材，木材表層含水率已降到約18%以下，則在飽和蒸汽或飽和濕空氣中汽〔氣〕蒸后，其表層反而從介質(zhì)中吸收水蒸汽，使木材表層含水率增高。為防止木材過(guò)多地吸濕，故半干材預(yù)熱處理時(shí)，應(yīng)采用不飽和的介質(zhì)〔其干、濕球溫度差為1～2℃〕。木材枯燥過(guò)程中，介質(zhì)〔多為濕空氣〕的溫、濕度是分階段變化的：枯燥初期溫度較低，濕度較高，平衡含水率約為18%～13%〔硬闊葉材取高值，針葉材薄板取低值〕；枯燥中期溫度適當(dāng)升高，濕度適當(dāng)降低，平衡含水率約為12%～8%〔硬闊葉材取高值，針葉材薄板取低值〕；枯燥末期平衡含水率大幅度降低，其值約為5.5%～3.2%〔指定終含水率高時(shí)，取高值；終含水率低時(shí)，取低值〕。終了平衡處理時(shí)，木材的平衡含水率比指定的終含水率低2%，以保證較濕的鋸材進(jìn)一步枯燥，而已到達(dá)含水率要求的鋸材停頓枯燥，從而使鋸材終含水率均勻。終了調(diào)濕處理時(shí)，木材的平衡含水率比指定的終含水率高3%～4%，以使過(guò)干的木材表層適當(dāng)吸收一些水分，從而消除或減輕外表硬化和剩余應(yīng)力。5干鋸材貯存和加工、運(yùn)輸過(guò)程中的平衡含水率5.1干鋸材的貯存干鋸材的貯存有三種方法：敞棚貯存，常溫密閉倉(cāng)庫(kù)貯存和加溫密閉倉(cāng)庫(kù)貯存。敞棚貯存時(shí)，棚內(nèi)溫、濕度隨周圍大氣環(huán)境的變化而變化。木材的含水率很不穩(wěn)定，干材的吸濕回潮大。因此，敞棚不適宜貯存人工枯燥后的干鋸材。在敞棚下進(jìn)展?jié)癫幕虬敫刹牡臍飧墒强尚械?。常溫密閉倉(cāng)庫(kù)貯存是國(guó)內(nèi)常用的干鋸材貯存方法。被貯存材應(yīng)密實(shí)堆積；庫(kù)內(nèi)地面須鋪設(shè)混凝土或?yàn)r青，且須用混凝土垛基和木方橫梁將材堆架空，以減少干材吸濕。盡管如此，干鋸材貯存于常溫密閉倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，仍會(huì)受大氣影響而吸濕回潮，但比室外或敞棚內(nèi)貯存減少很多。據(jù)美國(guó)林產(chǎn)品研究所研究：1英寸厚的南方松板材，密實(shí)堆積貯存于密閉倉(cāng)庫(kù)內(nèi)一年后，其含水率由7.5%升至10.5%；但同法堆積貯于室外的同樣板材，卻升至13.5%。窯干材貯于密閉倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，也會(huì)減少材堆中最濕材與最干材間的含水率差距；如美國(guó)林產(chǎn)品研究所試驗(yàn)，〔1×6〕英寸的花旗松，密實(shí)堆積，貯于密閉倉(cāng)庫(kù)內(nèi)一年后，其含水率差距由原來(lái)的20%降為13%。這是由于水分從含水率較高的木材擴(kuò)散入含水率較低的木材中的緣故。另外，倉(cāng)庫(kù)的屋頂和墻壁會(huì)吸收太陽(yáng)的輻射熱而增加的庫(kù)內(nèi)溫度。但溫暖的空氣會(huì)滯于庫(kù)內(nèi)上部，使溫度不均勻，形成材堆上部平衡含水率低，下部高的現(xiàn)象。在庫(kù)內(nèi)裝軸流風(fēng)機(jī)，使氣流強(qiáng)制循環(huán)，可有效消除此缺陷。為節(jié)約電能消耗，每天白天開(kāi)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)6～8h即可。加溫密閉倉(cāng)庫(kù)貯存，是在常溫密閉倉(cāng)庫(kù)內(nèi)安裝蒸汽或熱水散熱管而成。由于倉(cāng)庫(kù)內(nèi)可以加溫，木材的平衡含水率自然會(huì)降低，從而可有效地防止干材吸濕回潮。由于木材平衡含水率受周圍空氣濕度的影響遠(yuǎn)比溫度的影響大，故在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)設(shè)置自動(dòng)調(diào)濕器來(lái)控制庫(kù)內(nèi)的平衡含水率較為方便。如將調(diào)濕器的相對(duì)濕度設(shè)定為35%，則空氣的溫度在10～36℃之間變化時(shí)，木材平衡含水率變化范圍只有7.1～6.5%。這說(shuō)明只要保持空氣的相對(duì)濕度不變，即使空氣溫度變化范圍較大〔如26℃〕，但平衡含水率變化卻很小〔只有0.6%〕。假設(shè)工廠沒(méi)有條件安裝自動(dòng)調(diào)濕器，則通?？扇斯ふ{(diào)節(jié)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫度，使比戶外大氣溫度高出5～11℃〔風(fēng)和日暖時(shí)取低值，寒冬陰雨天取高值〕，也可到達(dá)降濕防潮的目的。5.2干鋸材的加工及成品運(yùn)輸過(guò)程中的平衡含水率干鋸材加工時(shí)，暴露在空氣中的面積比在倉(cāng)庫(kù)中密實(shí)堆積時(shí)為大，假設(shè)不采取措施，時(shí)間一長(zhǎng)很容易吸濕，特別是在陰雨天。因此，干鋸材加工的周期應(yīng)盡量縮短，防止在車間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間堆放。假設(shè)必須具有中間