第四讲与干燥有关的木材性质

第四讲与干燥有关的木材性质演示文稿现在是1页\一共有59页\编辑于星期二（优选）第四讲与干燥有关的木材性质现在是2页\一共有59页\编辑于星期二φ=1ABDCPdIOφ=1ABPCIBICIAdIO多种湿空气的混合过程现在是3页\一共有59页\编辑于星期二dBdAdCI=constFDDK=△IΦ=1EMCtAACdIBKOtn=const湿饱和蒸汽与空气的混合过程现在是4页\一共有59页\编辑于星期二2130φ=1dI1=I2I3I0d0d1d2IO多次循环理论干燥过程现在是5页\一共有59页\编辑于星期二木材随着其树种的不同，在构造上千变万化，而构造上的变异引起其性质上的差异。与干燥有关的木材性质主要包括：木材的组织结构、木材中的水分、木材的收缩以及干燥过程中的蠕变、热传导、电学特性等。第四讲与干燥有关的木材性质现在是6页\一共有59页\编辑于星期二主要内容：一、木材的构造特征二、木材中的水分三、木材中水分的计算和测量四、木材吸湿性五、木材的干缩与变形六、木材的热学与电学性质七、木材的弹性与塑性现在是7页\一共有59页\编辑于星期二一、木材的构造特征木材在进行干燥时，水分若要顺利地向外移动，木材内部就必须有水分移动的通道，即细胞腔、纹孔、细胞间隙及细胞壁内的微毛细管等。这些通道若呈开放状态，则木材容易干燥；反之，木材难干。木材解剖分子的状态及特征对干燥时间长短和干燥工艺制定起着决定性的作用。木材的某些构造特征，往往会使木材在干燥过程中容易产生一些缺陷。如早材与晚材变化为急变的木材，在干燥过程中，在早材与晚材的交界处易产生环裂；在木射线含量多的树种中，特别是具有宽木射线的木材，干燥时易产生径裂。心、边材的干燥性能也有明显的区别。现在是8页\一共有59页\编辑于星期二早晚材急变的树种：马尾松、油松、樟子松、水曲柳、榆木等。具宽木射线的树种：栓皮栎、赤扬、银桦和青冈栎等。现在是9页\一共有59页\编辑于星期二二、木材中的水分（P23）1.木材中水分的由来树种水分含量（%）心材边材平均红松70200135臭冷杉130200165春榆125100113色木9090紫椴130130生材的水分含量现在是10页\一共有59页\编辑于星期二2.木材中水分的状态（1）湿物体的分类：毛细管多孔体所含水分增加或减少时，物体尺寸不变，如焦碳，砖，陶瓷材料，木炭等。胶体在吸收水分时能无限膨胀，到丧失其几何形状为止。如明胶，阿拉伯树胶，生面团，粘土。

毛细管多孔胶体在吸收水分和失水时，物体不丧失其几何形状，尺寸发生有限度的变化。木材，纸板，布匹，皮革等。现在是11页\一共有59页\编辑于星期二（2）木材中的毛细管系统：大毛细管系统：细胞壁上的纹孔与导管末端的穿孔使多数细胞的细胞腔相互沟通，构成大毛细管系统。对水分的束缚力很小，以至无束缚力。导管分子穿孔A单管孔B梯状穿孔C网状穿孔D筛状穿孔现在是12页\一共有59页\编辑于星期二微毛细管系统：在组成细胞壁纤维素链、基本纤丝、微纤丝及纤丝等之间，都有极为细微的间隙，它们相互连通，构成多级的微毛细管系统。对水分有不同程度的束缚力。木材管胞细胞壁微细结构

现在是13页\一共有59页\编辑于星期二（3）木材中水分的状态：自由水、吸着水、化学水自由水(freewater)：指以游离态存在于木材大毛细管中的水分，包括液态水和细胞腔内的水蒸气两部分。

自由水影响木材重量、燃烧性、渗透性和耐久性，对木材体积稳定性、力学、电学等性质无影响。

现在是14页\一共有59页\编辑于星期二吸着水(boundwater)：由吸附水和微毛细管水两部分组成。①吸附水（adsorbedwater）：被吸附在微晶表面和无定形区域内纤维素分子游离羟基（—OH）上的水分。由于不同树种木材内表面大小和游离羟基数量（影响吸附水数量的因素）变化不大，因而其吸附水含量基本相同，平均为24%。

吸附水与木材化学组分的结合为物理化学结合（氢键结合和分子力结合），结合较牢，故难以从木材中排尽。②微毛细管水：存在于组成细胞壁的微纤丝、大纤丝之间所构成的微毛细管内的水分。

微毛细管水依靠液体水的表面张力与木材呈物理机械结合，其含量约为6%。木材中吸着水含量在树种间差别较小，一般为23%~31%，平均为30%。吸着水不易自木材中逸出，只有当自由水蒸发殆尽，且木材中水蒸气压力大于周围空气中水蒸气压力时，方可由木材中蒸发。吸着水数量的变化对木材物理力学性质和木材加工利用的影响甚大，如木材的强度、尺寸、导电性和传导性等。现在是15页\一共有59页\编辑于星期二化学水(

chemicallycombinedwater)指与木材细胞壁物质（纤维组织中的酸、脂肪、油盐烯、酚醛、色素、糖和复合物等）呈牢固的化学结合状态的水。化合水含量极少（<０.5%），而且相对稳定，是木材的组成成份之一。现在是16页\一共有59页\编辑于星期二三、木材中水分的计算和测量1.含水率MC（MoistureContent）：木材所含水分的多少用水分的质量分数表示，称为木材含水率，是水分的质量与木材质量之比的百分率，记作MC。绝对含水率（absolutemoisturecontent）：MC=（W湿-W干）/W干*100%（用于木材加工）相对含水率（relativemoisturecontent）：MC0=（W湿-W干）/W湿*100%（用于木材燃烧性质）2.含水率的测量方法（P131）（1）烘干法（oven-dryingmethod）（2）蒸馏法（3）电测法（直流电阻式、交流介电式、红外吸收法、微波法等）现在是17页\一共有59页\编辑于星期二2.含水率的测量方法（P131）

（1）烘干法（称重法）（详见GBT1931-2009木材含水率测定方法）试验片选取选取含水率具有代表性的含水率正方体试样（边长约为20mm），所谓代表性就是这块试样的干湿程度与整块木材要相一致，并没有夹皮、节疤、腐朽、虫蛀等缺陷。测量方法将试材刮净毛刺和锯屑后立即称得其质量，之后将试材放置在温度为103±2℃的烘箱内烘干8h左右，然后每隔2h称重并记录一次，直到两次称重的质量相差不超过试样质量的0.5%，即认为试样达到全干。计算方法MC=（W湿-W干）/W干*100%根据前面介绍过的公式，即可计算出试材的含水率值。

现在是18页\一共有59页\编辑于星期二优点：准确可靠、简便易行，而且不受含水率范围的限制；缺点：1)测定所需时间较长；2)对测定含有可挥发性物质较多的木材含水率时，由于木材在烘干过程中，挥发性物质也可能同时挥发掉，计算含水率时必然也将其当作水分计算了进去，容易造成误差，易改用真空干燥法测定（详见GBT1931-2009木材含水率测定方法附录B）；3)由于试样暴露在空气中其水分容易发生变化，因此，测量时要注意截取试样后或取出烘箱后应立即称重，如不能立即称重，须立即用塑料袋密封包装，防止水分蒸发或进入。现在是19页\一共有59页\编辑于星期二2.含水率的测量方法（P131）（2）蒸馏法方法：待测的试样削成2~3mm厚的碎片（约20～50g）置于容量约500～1000ml的三角烧瓶中，将不溶于水的溶剂（常用二甲苯）120～130ml倒入烧瓶，以淹没试样且不超过烧瓶容量的3/4为准。再用带刻度的收集管将烧瓶与冷凝器连接。用水浴或沙浴加热烧瓶，试样中的水与二甲苯蒸汽流入冷凝管，经冷凝的液体流入收集管，水分重沉至下部，多余的二甲苯则回流到烧瓶中，从收集管上的刻度即可知试样中的水分含量。测定时间约1～1.5h。1.烧瓶2.侧管

3.收集管4.冷凝器现在是20页\一共有59页\编辑于星期二直流电阻式含水率测定仪的原理：在一定的含水率范围内，木材的电阻率（即单位长度、单位横截面积的木材电阻）与其含水率呈线性关系。2.含水率的测量方法（P131）（3）电测法：根据木材的电学性质，例如电阻率、介电常数、高频功率损失等与木材含水率的关系来测定的。现在是21页\一共有59页\编辑于星期二注意：1.测定的含水率范围有限。精确测量范围只有6%至30%。2.需要进行温度校正。木材电阻受含水率、温度影响，当木材含水率不变化时，温度越高，木材的电阻率越小。3.树种校正。4.测针插入木材的深度和方向。测针插入木材厚度的1/5～1/4，测出的读数能代表木材含水率的平均值。又木材横纹电阻率是顺纹的2～3倍，故测针须垂直于木材纹理方向。

5.锯材厚度不易大于30mm。现在是22页\一共有59页\编辑于星期二2.含水率的测量方法（P131）红外吸收法：一种光学式的测定方法。优点：快速、高精度、非接触式测量缺点：1.易受含有红外波长光的其它光源及样品的色调对测定结果的影响；2.只能测材料表面的水分；3.造价较高。微波法：以频率高于1GHz的电波射在湿木材(电介质)上时，其反射波和透射波就按水的介电常数发生变化。利用这个变化即可测定木材中的水分。微波测量的不足之处是电磁波能量的损耗与被测物材料的密度有关。现在是23页\一共有59页\编辑于星期二3.纤维饱和点含水率纤维饱和点FSP（FiberSaturationPoint）：在大气条件下，当自由水蒸发完毕，而吸着水还保持着最高量时的木材含水率叫纤维饱和点，又称吸湿极限。MF=30%，变异范围：23～33%。（指单个细胞）

t=20℃,MF=30%

t=60℃,MF=26%

t=120℃,MF=18%

注：a.FSP是木材干燥的转折点。b.FSP随温度的升高而减小，FSP∝（1/t，树种）。c.温度反应了木材从饱和空气中的吸湿能力，温度越高，木材从饱和空气中吸湿的能力越低。现在是24页\一共有59页\编辑于星期二纤维饱和点的测定：材性变化临界点法，即根据某一性质指标如尺寸测定、强度试验及电性质等与含水率变化的关系，测出试样在不同含水率条件下的数值并绘制二维图象，其曲线和直线部分的转折点含水率即为该种木材的纤维饱和点。现在是25页\一共有59页\编辑于星期二4.木材的分类湿材、生材、半干材、气干材（8%～18%）、室干材（7%～15%）、绝干材自由水吸着水细胞腔细胞壁含水率生材(25~30%以上)FSP状态(25~30%)EMC状态(15%前后)全干状态(0%)吸着水饱和状态饱和状态平衡状态极少自由水有极少没有没有现在是26页\一共有59页\编辑于星期二吸湿（adsorption）：当木材含水率低于FSP时，细胞壁内的微毛细管系统能从湿空气中吸收水分的现象。解吸(desorption)：水分从微毛细管系统排往空气的现象思考：吸湿与吸水的区别是什么？干燥与解吸的区别是什么？木材吸湿性产生的条件:空气中的水蒸气压力与木材表面水蒸气压力不相等木材吸湿的空间位置:细胞壁中的无定形区域四、木材吸湿性(hygroscopicityofwood)现在是27页\一共有59页\编辑于星期二木材吸湿性的原因：a组成木材的细胞壁物质——纤维素和半纤维素等化学成分结构中有许多自由羟基（-OH），它们在一定温度和湿度条件下具有很强的吸湿能力。微晶体表面借助分子间力和氢键力将空气中水蒸气分子吸引于其上，生成多分子层，从而形成一部分吸附水。水层的厚度随空气相对湿度的变化而变化，当水层厚度小于它相应的厚度时，则由空气中吸附水蒸气分子，增加水层厚度。b木材是微毛细多孔体，木材内存在有超物理学的大毛细管系统和微毛细管系统，它具有很高的空隙率和巨大的内表面，胞壁微毛细管内水表面上的饱和蒸汽分压小于周围空气中的水蒸气分压，所以木材具有强烈的吸附性和毛细管凝结现象。干的木材在微晶表面吸附水蒸气时，先在最细小的微毛细管中形成凹形弯月面，产生毛细管的凝结现象而形成毛细管凝结水。发生水蒸气凝结现象的微毛细管半径与空气中的一定的相对湿度相适应。空气湿度越低，发生水蒸气凝结的毛细管半径也就越小。现在是28页\一共有59页\编辑于星期二吸湿滞后(sorptionhysteresis)：干木材在吸湿时达到的稳定含水率，低于在同样气候条件下湿木材在解吸时的稳定含水率，此现象叫吸湿滞后，或吸收滞后。（即△M=M解-M吸）。△M与树种无关，随木材尺寸、干燥温度的增大而增大（范围是

1%~5%

）。φ＝60％～90％时，△M≈2.5％（多种木材的平均值）思考：为什么会产生吸湿滞后这种现象？含水率MC解吸MC吸湿时间∆MC解吸吸湿EMC现在是29页\一共有59页\编辑于星期二产生吸湿滞后的原因：a吸湿的木材一定是已经过干燥的，在干燥过程中，木材的微毛细管系统内的空隙已部分地被渗透进来的空气所占据，这就妨碍了木材对水分的吸收。b木材在先前的干燥过程中，用以吸收水分的羟基借副价键彼此直接相连，使部分羟基相互饱和而减小了以后对水分的吸着性。含水率MC解吸MC吸湿时间∆MC解吸吸湿EMC现在是30页\一共有59页\编辑于星期二平衡含水率EMC(EquilibriumMoistureContent)：细薄木料在一定空气状态下，最后达到的吸湿稳定含水率或解吸稳定含水率，叫平衡含水率。EMC与空气温度、湿度有关，即EMC∝（1/t，φ）。

pa一定时，ta每升高1℃，EMC降低0.071％；

taa一定时，φa每升高1％，EMC增加0.121％，

φ=100%时，EMCmax=FSP。思考：木材平衡含水率在木材加工利用上有何实用意义？含水率MC解吸MC吸湿时间∆MC解吸吸湿EMC现在是31页\一共有59页\编辑于星期二木材平衡含水率的确定方法有：（1）图表法：根据木材所处环境的温、湿度，由图或表直接查得。（2）称重法：气干材或生材，置于室内通风良好之处，直至与空气湿度平衡，含水率不再变化，测定此的木材含水率。这一方法可以准确地得到未知环境的木材平衡含水率，但测量过程延续时间比较长。（3）电测法：直接采用平衡含水率测量装置测量，其测量原理与电阻式含水率测定仪相同。这种测量装置可与电阻温度计一起装在干燥室内，用来代替传统的干、湿球温度计。现在是32页\一共有59页\编辑于星期二现在是33页\一共有59页\编辑于星期二平衡含水率测量装置

平衡含水率传感器1.接线柱；2.插座；3.感湿木片；4.木片夹现在是34页\一共有59页\编辑于星期二五、木材的干缩与变形

1.木材的干缩

干缩(shrinkage)：木材排出吸着水时，其尺寸随着变化，称为干缩。用干缩率y表示。

y=（l前–l后）/l前

干缩的原因：干缩是细胞壁内的吸着水蒸发后，微纤丝、纤丝及微晶之间的水层变薄或失去而相互靠拢的结果，

体现在纤丝的宽度上。木材的干缩分为横向干缩（弦向干缩和径向干缩）和纵向干缩。

注：正常木材yl≈0.1%～0.3%yr≈3%～6％

yt≈6%～12%，应力木和幼龄材yl≈1%～1.5%在部位上表现为：y边材＞y心材。现在是35页\一共有59页\编辑于星期二木材干缩的各向异性：y弦向

＞y径向＞

y纵向次生壁各层及纤丝角度：干缩的原因：干缩是细胞壁内的吸着水蒸发后，微纤丝、纤丝及微晶之间的水层变薄或失去而相互靠拢的结果，体现在纤丝的宽度上。y横向

＞y纵向木材的不均匀干缩来自两方面:一是构造原因(可以缓解)；二是含水率不均匀分布(可以恢复)现在是36页\一共有59页\编辑于星期二木射线的作用晚材率y弦向

＞y径向y弦向

＞y径向现在是37页\一共有59页\编辑于星期二自由干缩与不自由干缩

自由干缩是一种理想干缩，一般干燥都是不自由干缩。PKDMHCAE010203040尺寸变化（%）木材含水率（%）B体积干缩弦向干缩径向干缩现在是38页\一共有59页\编辑于星期二木材的干缩性质常用干缩率、干缩系数和差异干缩来表达。（1）气干干缩率：从生材或湿材在无外力状态下自由干缩到气干状态，其尺寸和体积的变化百分比。（2）全干干缩率：木材从湿材状态干缩到全干状态下，其尺寸和体积的变化百分比称为木材的全干干缩率。（3）干缩系数（shrinkage

coefficient）：干缩系数是指吸着水每变化１％时木材的干缩率变化值，用K来表式。（4）差异干缩：木材弦向干缩与径向干缩的比值。2.木材干缩的评价指标现在是39页\一共有59页\编辑于星期二差异干缩率(CS)

木材变形、开裂的原因是多方面的，但如何判断木材变形、开裂的难易程度，通常采用木材的差异干缩率(CS)来进行判断。差异干缩率用弦向干缩率与径向干缩率之比来表示，即：

CS＝yt/yr

差异干缩率值愈大，木材愈易变形、开裂；当比值接近1时，表明木材弦向干缩与径向干缩一致，木材干燥过程中，是均匀的干缩，不会变形、开裂。现在是40页\一共有59页\编辑于星期二3.木材干缩的测定（1）试样要求用饱和水分的湿材制作，尺寸为20×20×20mm，标准的纵向、径向和弦向。（2）方法与步骤

①测定时，试样的含水率应高于纤维饱和点，否则应将试样浸泡于温度20±2℃的蒸馏水中，至尺寸稳定后再测定。②将测量后的试样进行气干，在气干过程中，用2~3个试样每隔6h试测一次弦向尺寸，至连续两次试测结果的差值不超过0.02mm时，即可认为达到气干。③将测定后的试样放至烘箱中，开始时保持温度60℃6个小时；然后，升温至103±2℃，使试样达到全干，并测出各试样全干时的重量和径、弦向尺寸。现在是41页\一共有59页\编辑于星期二α

4.干缩量的简单计算：根据干缩系数的定义，在理论上可以计算出纤维饱和点以下任意含水率时的干缩数值：yM=K（30－M）%对于断面不大的材，其年轮近似平行线。它与锯口成α角，其宽度或厚度干缩为：

y=y径+（y弦－y径）cos2α

当α=0时，表现为弦向收缩，当α=90°时，表现为径向收缩。现在是42页\一共有59页\编辑于星期二【例1】：已知某种家具零件毛料初含水率为28%时，测得其宽度为66mm，当干到含水率为15%和8%时，测得其宽度分别为62.8mm和61.2mm，求该零件毛料从初含水率干燥到这两种含水率时的干缩率。MC与干缩成线性关系，MC干到15％，已发生的干缩可能达50％，MC干到8％，已发生的干缩可能达75％。现在是43页\一共有59页\编辑于星期二【例2】根据例1中家具零件毛料干燥前后的宽度变化，求该毛料宽度方向的干缩系数。【解】K15=4.85%/13=0.37%K8=7.28%/20=0.37%注：木材干缩系数大小与含水率降幅无关。生产实践中，需根据干木料尺寸（构件尺寸）确定湿木料尺寸。当M湿＞30%时，计算公式为：

M湿＜30%时，计算公式为：

注：1.K的选取（弦切板、径切板、普通板）；

2.以上二式也可由湿木料尺寸计算干木料尺寸。现在是44页\一共有59页\编辑于星期二【例3】某厂生产一种柞木家具构件，已知构件干毛料规格为60mm×30mm×1000mm，含水率为10%。若以厂内现有含水率为28%的大方材锯制，试确定湿毛料尺寸应为多少（厚度和宽度均按弦向干缩系数计，长度干缩忽略）。【解】：查表可知，柞木弦向干缩系数为Ｋ=0.318%，∵M湿=28%＜30%，∴湿料厚度为：＝31.7≈32mm；同理湿料宽度为：＝63.4≈63mm。现在是45页\一共有59页\编辑于星期二5.木材干缩对木材加工和使用的影响

（1）变形木材干燥后，因为各部分的不均匀干缩而使其形状改变，即变形。

a.板方材横断面上的变形

生材或湿材干燥时，由于木材弦向干缩远大于径向干缩及二者干缩不一致的共同影响，促使原木解锯后的方材、板材、圆柱等的端面发生多种形变。现在是46页\一共有59页\编辑于星期二生材状况下原木横切面上各部位下锯后板材断面形状的变化

现在是47页\一共有59页\编辑于星期二b.板方材长度方向上纵切面的变形

原木锯成板材后，如不合理干燥，会导致其长度方向（纵切面）上发生很大的变形，表现形式主要为弯曲，其形状与其在木材横切面上的位置有很大的关系。板材纵向上变形

现在是48页\一共有59页\编辑于星期二2.开裂木材因干燥的不均匀与各方干缩的差异，造成开裂，裂缝大多垂直于年轮而平行于木射线，是木材纵向分子与木射线相交之处的结合力弱所致。

木材各种开裂形式

现在是49页\一共有59页\编辑于星期二6.减少木材干缩、湿胀的方法（1）高温干燥、降低木材吸湿性

高温干燥处理木材是目前减少木材干缩湿胀的主要方法，应用广泛。高温干燥主要是使木材干缩微纤丝之间的距离逐渐缩小，减少非晶区纤维素分子链状分子上游离羟基数目，形成新的氢键结合；同时，半纤维素降解物与木素分子上基团聚合封闭羟基，降低木材吸湿性。（2）利用径切板木材径向干缩是弦向干缩的一半，利用径切板可比弦切板木材干缩少一半。（3）利用木芯板将细木条用合成树脂胶粘成合木，这样不过分考虑木材的年轮方向，杂乱相胶，结果总是趋于径切板，很少为弦切板。此种方式已广泛用于地板、木芯板及木材工业生产。

现在是50页\一共有59页\编辑于星期二（4）机械抑制机械抑制即利用胶合板，胶合板中将单板纵横交错用胶压合而成，这样就能以干缩极小的纵向，机械地抑制横纹干缩，将胀缩减小到最小。同时木材横纹方向强度小，顺纹方向木材强度高，可以弥补木材横纹方向强度小的特点，使材料趋于均匀一致。（5）表面涂饰油漆利用涂料、油漆涂刷木材表面，减少木材与湿空气接触，阻碍水分的渗入，从而使纤维表面包裹起来，可以降低木材对大气湿度变化敏感性，延缓木材吸湿速度，减少胀缩。（6）充胀与改性用聚已二醇、尿素、醋酸酐等低分子的聚合物注入木材，置换木材中水分，对本材起有效膨胀作用，使木材干缩极小。现在是51页\一共有59页\编辑于星期二

7.木材含水率与密度的关系木材是由木材细胞壁实质物质、水分及空气组成的多孔性材料。木材的密度：基本密度：木材的绝干质量与被自由水饱和时的体积之比。

ρj=W干/V湿绝干密度：绝干材的质量与绝干材体积的比值。

ρ0=W干/V干

基本密度与绝干密度的关系：ρ0=100ρj/（100－30K体）气干密度：气干材的质量与气干材的体积之比。

ρ气=W气/V气生材密度：生材的质量与生材的体积之比。

ρ生=W生/V生细胞壁密度：细胞壁质量与