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木材的干燥(一)

来源:网络收集 作者:佚名 时间:2007-09-17 点击:
木材   干燥   1. 导论

  因为从制材厂刚锯解出来的板材中含有过量的水分,所以必须排除,尔后才可以适用于大多数产品的制造。排除这种水分的过程叫做干燥,它是把木材原料加工成产品最重要的工序之一。湿材所含有的水分量可能非常大,李兹(Rietz)指出,16英尺长,径级为15英寸的南方松原木可能含有70加仑的水(注:1美制加仑等于3.785升);16英尺长,径级为18英寸,边材为3英寸的白橡木可能含有126加仑的水,也就是有1050磅水。后者意味着水分占整根原木重量的56.7%。

  干燥是费钱费时的加工过程,一般都不进行干燥,除非对特殊的用途,它们有正当的理由,非这么做不可。李兹(Rietz,1957)列举了一些比较重要的理由:干燥可以减少木材的毛重,所以随后的运输和装运成本可以降低;提高了木材的尺寸稳定性;增加了木材的强度;增加了木材的握钉力,所以提高了连接强度;增加了木材的电阻;改善了着漆和胶合性能;最后还有改善了木材的热学性能。除了这些优点以外,把木材干燥到纤维饱和点以下,只要它不再重新变湿,就可以使木材免受生物降等的损害,特别是防止破坏性菌类对木材的损害。

  2. 干燥对木材性质的影响

  无论是人工干燥或是自然干燥的木材,在使用过程中最终会与当地的相对湿度相平衡,达到一个含水率,即它将从大气中吸收或解吸水分,直到木材中水分的水蒸汽压力等于周围大气中的水蒸汽分压。这个平衡值,或者称之为平衡含水率,随着使用环境中的气候而变化,例如在取暖的房子里的家具的含水率为4%,而在有屋顶但无取暖的建筑物里,它的含水率为12%。

  排除自由水,或者说树液,它们是细胞腔里的水,对木材的影响很小,除了重量减轻以外;但是排除“吸着水”,它们是细胞壁里的水,将会影响木材的物理和力学性质。在干燥过程中,自由水首先被排除,因为此时用于破坏吸着键的全部能量是全部用来蒸发木材表面的自由水的。当细胞腔里的水分被全部排除,而细胞壁里的水分还处于饱和的状态,此时的含水率称作“纤维饱和点”。对大多数树种来说,纤维饱和点处于约25%-30%的含水率(这里的含水率以木材的绝干重量的百分数来表示)。

  3. 干缩与湿胀

  当木材干燥到纤维饱和点以下,木材的尺寸变得不稳定,它的体积、面积和长度都成了含水率的函数。这种性质沿着木材的三个天然纹理方向是不同的,表1(Rasmussen, 1961)给出了许多商用材从湿材变成干材时的径向、弦向和纵向的平均干缩值。从表中可以看出,弦向的干缩最大,从湿材到绝干材,变化的范围从4%到14%;相应地,径向为2%到8%;纵向为0.1%到0.3%。因为木材在大多数的使用情况里,它最终达到的含水率要大大低于纤维饱和点。如果在使用时它是湿材,它将干燥并收缩,这种收缩是不符合要求的,也是不能接受的。

  本德尔(Bender, 1964)指出,在家具业中,干缩湿胀引起:“抽屉和门被夹牢;单板覆面的刨花板上胶线沉陷;木梢、榫眼和其他各种连接松动;实木零件如椅子坐面开裂;未端封的单板层积材的芯部开裂;门和其他未用刚性框架支撑的板件的挠曲;在单板覆面板上经高级涂饰的表面出现细小的裂纹或裂缝。”佩克(Peck, 1955)指出,在建筑结构中,“干缩可能使紧固件松动,或建筑物沉降,伴之以石膏出现裂缝,地板不平,型条周围出现难看的裂口。立柱、护壁板和封檐板的收缩使墙壁的防风雨性能降低,使密封性变差,同时也降低了墙壁的力学性能和刚性。”

  表1 美国国内木材的总干缩值

树 种

含水率干至0的干缩(%)

树 种

含水率干至0的干缩(%)
  径向弦向径向弦向
软材    硬材    
落羽杉3.86.2桤木,红4.47.3
雪松属    白蜡木    
阿拉斯加2.86.0黑色5.07.8
大西洋白雪松2.95.4绿色4.67.1
东部铅笔柏3.14.7白色4.97.8
香肖楠3.35.2白杨属    
北部白雪松2.24.9Bigtooth3.37.9
牛津港雪松4.66.9颤杨3.56.7
西部铅笔柏2.45.0美国椴木6.69.3
花旗松       美国榉木5.511.9
海岸花旗松4.87.6桦木      
北部内陆3.86.9纸桦6.38.6
南部内陆  矮桦6.59.0
西部内陆4.87.6黄桦7.39.5
      胡桃3.46.4
白冷杉2.96.9樱桃,黑3.77.1
加利福尼亚冷杉4.57.9三角叶扬    
大冷杉3.47.5黑色3.68.6
大冷杉4.38.3东部3.99.2
太平洋银冷杉4.49.2榆木    
Subalpine2.67.4美国榆木4.29.5
白冷杉3.37.0岩榆4.88.1
铁杉属    朴树4.88.9
东部铁杉3.06.8核桃木7.411.4
西部铁杉4.27.8木兰,南部5.46.6
西部落叶松4.59.1枫木    
松属    大叶枫3.77.1
红松3.87.2红枫4.08.2
南方松    银枫3.07.2
火炬松4.87.4糖枫4.89.9
长叶松5.17.5橡木    
短叶松4.67.7北部红橡4.08.6
Shash5.47.6北部白橡5.610.5
糖松2.95.6南部红橡4.711.3
西部白松4.17.4南部白橡5.310.8
红杉    南洲山核桃4.98.9
树龄长2.64.4美国枫香5.310.2
树龄短2.24.0美国县铃木5.08.4
云杉    Tanoak4.911.7
恩氏云杉3.87.1美国紫树    
红云杉3.87.8黑紫树5.18.7
西加云杉4.37.5水紫树4.27.6
白云杉4.78.2黑胡桃5.57.8
      柳,黑3.38.7
      美国鹅掌楸4.68.2

  4. 力学性质

  除了少数例外的情况,含水率降低到纤维饱和点以下时,木材的力学强度会提高。此时,细胞壁变得更密实,纤维的强度和刚度也增加,所以木材的力学强度提高(Wangaard, 1950)。从分子的水平看,当含水率降低到纤维饱和点以下时,无定形区内的相邻纤维素链的交联键由氢键连在一起了,而这些纤维素链决定了纤维的硬度和刚性(Wakeham, 1955)。表2列出了许多树种力学性质转变时的含水率(Anon 5, 1974)。从表中可以看出,这些含水率稍低于纤维饱和点。《木材手册》(Anon. 1, 1955)给出了含水率每变化1%,力学强度平均增加或减少的值,如表3所示。其中最重要的两个力学性质,即挠曲强度和顺纹剪切强度,在纤维饱和点以下时,含水率每降低1%则分别增加4%和3%。但是,有一个力学性质没有随含水率的降低而增加,这就是韧性。韧性是表示木材吸收振动或冲击能力的一个性质,也用来表示强度和柔韧性。木材干燥后使柔韧性降低,因此也使韧性减少。

  表2 由于干燥,不同树种木材的力学性质发生变化时的木材含水率

树种含水率(%)
白蜡木24
桦木,黄色27
美国粟木24
花旗松24
西部铁杉28
西部落叶松28
火炬松21
长叶松21
红松24
红杉21
云杉,红色27
美国西加云杉27
落叶松24

  表3 由于干燥,不同树种木材的力学性质变化时的木材含水率

 含水率每变化1%的力学性质的变化(%)

静曲强度

比例极限5
挠曲强度4
弹性模量2
达到比例极限所做的功8
达到最大载荷所做的功0.5
冲击抗弯强度0.5

顺纹抗压

比例极限5
最大抗压强度6
横纹压缩比例极限5.5
顺纹最大剪切强度3
横纹最大抗拉强度1.5

硬度

端面4
侧面2.5
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