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?shù)厥褂貌]有什么質(zhì)量問題，但出口到國外，使用一段時間后，就產(chǎn)生開裂、變形，嚴重的引起索賠。還有些鋸材經(jīng)過窯干后，含水率完全符合要求，枯燥質(zhì)量很好，但做成木制品后，含水率卻超標了。以上這些質(zhì)量問題，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胞組成。細胞又有細胞壁和細胞腔。在細胞腔和細胞間隙中的水分，受到木材組織的束縛力很小，甚至無束縛力，這類水分稱為自由水；而細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，木材的水分會向周圍空氣中蒸發(fā)。首先蒸發(fā)自由水，當細胞腔內(nèi)液態(tài)的自由水蒸發(fā)殆盡，而細胞壁內(nèi)的吸著水仍處于飽和狀態(tài)時，這時木材的含水率狀態(tài)叫纖維飽和點。在纖維飽和點以下，每當周圍空氣狀態(tài)〔溫度、相對濕度〕發(fā)生變化，木材細胞壁中的吸著水含量也相應(yīng)地變化。假設(shè)周圍空氣的相對濕度較低，細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。解吸過程初期，木材的水分蒸發(fā)很強烈，即吸著水下降很快；隨著時間的延續(xù)，解吸過程逐漸緩慢，最后到達動態(tài)平衡或穩(wěn)定，此時木材的含水率叫解吸穩(wěn)定含水率。相反，當周圍空氣的相對濕度較高時，細胞壁中的水蒸氣分壓比空氣中的小，則水蒸氣從空氣向細胞壁中滲透，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程中到達的穩(wěn)定值叫吸濕穩(wěn)定含水率。細薄木料在一定的空氣狀態(tài)下，最后到達的解吸穩(wěn)定含水率或吸濕穩(wěn)定含水率，叫平衡含水率。但是，干鋸材在吸濕時到達的穩(wěn)定含水率，總是低于同樣氣候條件下濕鋸材在解吸時的穩(wěn)定含水率，此現(xiàn)象叫吸濕滯后。在相對濕度范圍為60%～90%時，多種鋸材的吸濕滯后平均值約為2.5%。細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5%。木材的平衡含水率隨周圍空氣的溫度和相對濕度而異。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濕度的升高顯著加大。當相對濕度升高到100%時，則平衡含水率達最大值，此時的平衡含水率也叫纖維飽和點。在生產(chǎn)上，可用干、濕球溫度計來測空氣的相對濕度，從而查出木材平衡含水率，見表1當干濕球溫度差〔即濕度計差〕為0時，則空氣的相對濕度為100%。這時，平衡含水率〔即纖維飽和點〕隨空氣溫度的升高而降低，如40℃時，平衡含水率為29%，70℃時為26%，而100℃時，則降為22%。木材平衡含水率是制定枯燥基準，調(diào)節(jié)枯燥過程，控制倉庫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題。在木材枯燥和木制品生產(chǎn)中有很大的實用價值。2我國各地區(qū)的平衡含水率分布及推薦的木制品的含水率我國是一個幅員遼闊、氣候多樣的國家，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、華南及長江中、下游廣闊地區(qū)約為15%；海南、雷州半島、臺灣及浙江沿海地區(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。必須強調(diào)，以上分析只是根據(jù)我國各地區(qū)的氣候條件得出的結(jié)論。沒有考慮室內(nèi)人工小氣候的情況。實際上我國黃河以北的北方廣闊地區(qū)，每年都有相當長的采暖期，這時室內(nèi)的空氣條件與室外大氣條件相距很大。采暖時室內(nèi)溫度約為18℃～20℃，相對濕度約為28%，這時平衡含水率只有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%?？紤]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，則木制品運到北方使用后，就會產(chǎn)生開裂和變形。3美國、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改革開放的不斷深入，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。因此，有必要了解那些地區(qū)的氣候特點及對木制品含水率的要求。美國的東南沿海及西部沿海地區(qū)，氣候溫和濕潤，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。但西南部內(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，氣候較濕潤，在日本長期使用的各種木制品的含水率要求見表3。歐洲各國的平衡含水率分布，也有一定的地域和氣候規(guī)律?？傮w上講，北歐和東歐各國〔如冰島、挪威。瑞典、芬蘭、丹麥、愛爾蘭、英國、俄羅斯、波蘭、捷克等〕氣候較嚴寒，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24.9%。而歐洲南部各國〔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%。其余的西歐國家〔如法國、德國、荷蘭、比利時、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)值參見表4根據(jù)以上平衡含水率數(shù)值，則歐洲南部國家使用的木制品，應(yīng)枯燥到7%～11%的含水率。北歐、東歐和西歐國家，因室內(nèi)采暖時空氣較枯燥，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，木制品不管國內(nèi)使用，還是出口，都應(yīng)根據(jù)使用地點的氣候條件，并兼顧有無室內(nèi)采暖的要求，來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，有時經(jīng)預(yù)汽蒸處理。不少人認為汽蒸處理只是將鋸材熱透，不會改變木材的含水率。其實不然，因為在常壓飽和蒸汽〔溫度100℃，相對濕度100%〕條件下，木材的平衡含水率只有22%〔見表1〕。濕材或生材在這樣的介質(zhì)條件下，其表層含水率會向22%靠近，從而失去很多水分。對于松木等軟材，一般不會因此而開裂但對于硬闊葉樹濕材，在飽和蒸汽條件下汽蒸，就會由于表層水分較快的蒸發(fā)而產(chǎn)生表裂；故硬闊葉樹濕材應(yīng)采用70～80℃的飽和濕空氣來汽蒸，這時平衡含水率為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。為防止木材過多地吸濕，故半干材預(yù)熱處理時，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〕；枯燥中期溫度適當升高，濕度適當降低，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，取高值；終含水率低時，取低值〕。終了平衡處理時，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一步枯燥，而已到達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，木材的平衡含水率比指定的終含水率高3%～4%，以使過干的木材表層適當吸收一些水分，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、運輸過程中的平衡含水率5.1干鋸材的貯存干鋸材的貯存有三種方法：敞棚貯存，常溫密閉倉庫貯存和加溫密閉倉庫貯存。敞棚貯存時，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。在敞棚下進展?jié)癫幕虬敫刹牡臍飧墒强尚械?。常溫密閉倉庫貯存是國內(nèi)常用的干鋸材貯存方法。被貯存材應(yīng)密實堆積；庫內(nèi)地面須鋪設(shè)混凝土或瀝青，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庫內(nèi)，仍會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)美國林產(chǎn)品研究所研究：1英寸厚的南方松板材，密實堆積貯存于密閉倉庫內(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%。窯干材貯于密閉倉庫內(nèi)，也會減少材堆中最濕材與最干材間的含水率差距；如美國林產(chǎn)品研究所試驗，〔1×6〕英寸的花旗松，密實堆積，貯于密閉倉庫內(nèi)一年后，其含水率差距由原來的20%降為13%。這是由于水分從含水率較高的木材擴散入含水率較低的木材中的緣故。另外，倉庫的屋頂和墻壁會吸收太陽的輻射熱而增加的庫內(nèi)溫度。但溫暖的空氣會滯于庫內(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。在庫內(nèi)裝軸流風機，使氣流強制循環(huán)，可有效消除此缺陷。為節(jié)約電能消耗，每天白天開動風機運轉(zhuǎn)6～8h即可。加溫密閉倉庫貯存，是在常溫密閉倉庫內(nèi)安裝蒸汽或熱水散熱管而成。由于倉庫內(nèi)可以加溫，木材的平衡含水率自然會降低，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比溫度的影響大，故在倉庫內(nèi)設(shè)置自動調(diào)濕器來控制庫內(nèi)的平衡含水率較為方便。如將調(diào)濕器的相對濕度設(shè)定為35%，則空氣的溫度在10～36℃之間變化時，木材平衡含水率變化范圍只有7.1～6.5%。這說明只要保持空氣的相對濕度不變，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)工廠沒有條件安裝自動調(diào)濕器，則通?？扇斯ふ{(diào)節(jié)倉庫內(nèi)溫度，使比戶外大氣溫度高出5～11℃〔風和日暖時取低值，寒冬陰雨天取高值〕，也可到達降濕防潮的目的。5.2干鋸材的加工及成品運輸過程中的平衡含水率干鋸材加工時，暴露在空氣中的面積比在倉庫中密實堆積時為大，假設(shè)不采取措施，時間一長很容易吸濕，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)長時間堆放。假設(shè)必須具有中間