全 文 ：第 !" 卷 第 ## 期
$ % # % 年 ## 月
林 业 科 学
&’()*+(, &(-.,) &(*(’,)
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*/23!$ % # %
高温过热蒸汽处理木材的吸湿解吸特性!
齐华春#!$4刘一星#4程万里#
"#1东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室4哈尔滨 #8%%!%# $1北华大学4吉林 #5$%#5$
摘4要!4以日本柳杉为试材!经温度为 #!%!#"%!#7% j!相对湿度为 %!"%a!#%%a过热蒸汽处理后!考察并分析
其在不同环境温度和相对湿度条件下的吸湿解吸特性和吸湿滞后现象& 结果表明’ 高温过热蒸汽处理木材的水分
吸着等温线的类型没有发生变化# 吸湿%解吸过程中!在同一环境湿度下!高温高湿处理后木材的水分吸着量低于
低温处理后木材的水分吸着量# 水分吸着量随处理木材温度和相对湿度的增高呈减少趋势# 处理前后的木材均有
吸湿滞后现象# 高温高湿处理后木材的吸湿滞后现象比低温条件处理木材的吸湿滞后现象明显&
关键词’4高温过热蒸汽处理# 木材# 吸湿解吸特性
中图分类号! &:7#1:#444文献标识码!,444文章编号!#%%# >:!77#$%#%$## >%##% >%8
收稿日期’ $%%6 >%! >$## 修回日期’ $%%6 >%6 >#"&
基金项目’ 国家自然科学基金资助项目"5%7:#67#$部分内容&
!刘一星为通讯作者&
3"(/’$,.78/",#’(")&)@’.&FS2,.&’.<1""<$)<.,\(6+2.F#.,&’$,.
?DFEGR=EI#!$4 -DE BD_DIJ#4 ’=MIJLGI0D#
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O$(+#)/*+’$()*+(,7048)(*4+,49/(;40 #8%%!%# $1A)4#5/ 7048)(*4+,4e4%40 #5$%#5$
78/’,&-’’4&SMRD;MIWXV/;\GSGIMWM&EJD"@(,2+$=)(4/ B/2$04"/$Y//U YGWTVMGTMU YDT= WESMV=MGTMU WTMG; EIUMVT=M
TM;SMVGTEVM/X#!%!#"%!#7% j GIU T=MVM0GTD2M=E;DUDTN"AF$ /X%!"%a!#%%a T/DI2MWTDJGTMT=M;/DWTEVMGZW/VSTD/I
GIU UMW/VSTD/I R=GVGRTMVDWTDRWGIU ;/DWTEVMGZW/VSTD/I =NWTMVMWDWS=MI/;MI/I /XTVMGTMU Y//U EIUMVUDXMVMITMI2DV/I;MITG0
TM;SMVGTEVMGIU AF3+=MVMWE0TWW=/YMU T=GTT=MTNSM/XT=MDW/T=MV; /XT=MY//U TVMGTMU EIUMV=DJ= TM;SMVGTEVM
WESMV=MGTMU WTMG;YGWI/TR=GIJMU!T=GTEIUMVT=MWG;MMI2DV/I;MITG0=E;DUDTN! T=MG;/EIT/X;/DWTEVMW/VSTD/I /XT=M
Y//U EIUMV=DJ= TM;SMVGTEVMGIU AFYGW0/YMVT=GI T=GT/XWSMRD;MI EIUMV0/YTM;SMVGTEVMUEVDIJ;/DWTEVMGZW/VSTD/I
GIU UMW/VSTD/I SV/RMWW! T=GTT=MG;/EIT/X;/DWTEVMW/VSTD/I /XT=MY//U SVMWMITMU GTVMIU /XUMRVMGWDIJYDT= T=M
DIRVMGWDIJTM;SMVGTEVMGIU AF! GIU T=GTG0WSMRD;MIWW=/YMU G=NWTMVMWDWS=MI/;MI/I /XT=M;/DWTEVMGZW/VSTD/I!
MWSMRDG0NX/VT=MWSMRD;MI EIUMV=DJ= TM;SMVGTEVMGIU AF3
9.: ;",44近年来!国内外一些学者对木材高温快速干燥
进行了相关研究’KYDGIT/等 "#666$测试了日本柳
杉"@(,2+$=)(4/ B/2$04"/$的压力松弛# 东原贵志等
"$%%%# $%%#$用水蒸气处理木材的压缩变形固定#
大岛克仁"$%%$$测试了木材过热蒸汽条件下的力
学特性# 赵钟声等"$%%#$做了高温高压水蒸气处理
制造压缩木%人造板的研究# 程万里等 " $%%!#
$%%8# $%%:$%’=MIJ等 "$%%!# $%%:# $%%7$总结了
高温高压过热蒸汽干燥过程中木材的收缩应力和拉
伸应力松弛特征& 研究表明’ 温度高于 #!% j%相
对湿度在 "%a以上的高温高压过热蒸汽条件下对
木材进行干燥!应力在短时间内得以急剧释放& 对
于经过高温高压过热蒸汽处理干燥后的木材!吸湿
解吸特性变化问题的探讨较少&
本文在前期研究基础上!进一步对高温过热蒸
汽处理的木材性质进行考察与分析!通过了解不同
温度%不同相对湿度条件对木材吸湿解吸特性的影
响!探讨高温过热蒸汽干燥过程木材材性的变化&
#4材料与方法
选用树龄 #58 年的日本奈良县产日本柳杉材的
心材部分!平均绝干密度 %15$ J(R;>5!平均生长轮
4第 ## 期 齐华春等’ 高温过热蒸汽处理木材的吸湿解吸特性
宽度 $1$ ;;& 经温度为 #!%!#"%!#7% j!相对湿度
为 %!"%a!#%%a.压力为当时条件相对湿度与所在
温度对应饱和压力的乘积"顾炼百!$%%!$/的不同
条件过热蒸汽处理.处理时间为5% ;DI左右"大岛克
仁!$%%$$/后!放置在大气环境下使其达到大气平
衡含水率约为 61:a"黑龙江哈尔滨!8 月份$&
将经过温度为 #!%!#"% 和 #7%j!相对湿度为
%!"%a和 #%%a处理后的试件!分别截取 #$ 块"尺
寸约为’ 径向 m弦向 m轴向 8% ;;m 5 ;;m
#% ;;$! 分 别 用 于 $% 和 8% j 时 做 吸 湿% 解
吸试验& 44
根据文献"日本木材学会!#678$’ 不同浓度的
硫酸溶液在封闭的容器中"图 #$!其饱和水溶液表
面的蒸汽压不同!最终形成的平衡水气压 "或相对
湿度$也不同& 本研究根据此原理!采用 ! 个干燥
器"$% j吸湿%解吸各 # 个!8% j吸湿%解吸各 #
个 $! 分 别 放 入 配 制 成 不 同 浓 度 " #%a! $8a!
551:8a!!8a和 "%a$的硫酸水溶液& 不同浓度的
硫酸 水 溶 液 在 $% 和 8% j 时 的 相 对 湿 度 参
见表 #& 44
图 $ 经温度 #!% j相对湿度 #%%a"G$%#"% j相对湿度 #%%a"Z$及 #7% j相对湿度 #%%a"R$
处理后柳杉在环境温度分别为 $% 和 8% j时的吸湿等温线
@DJ3$4(W/T=MV;/XT=M;/DWTEVMGZW/VSTD/I /XTVMGTMU &EJDEIUMV#!% j AF#%%a"G$ !
#"% j AF#%%a" Z$ !#7% j AF#%%a"R$ GTMI2DV/I;MITG0TM;SMVGTEVM$% GIU 8% j
图 #4试验装置
@DJ3#4)_SMVD;MITGSS0DGIRM
表 =>硫酸水溶液的浓度和相对湿度
2&8?=>*")-.)’,&’(")&)<,.%&’(A.+$F(<(’:
"0/$%0$,(-&-(< a
硫酸水溶液浓度
’/IRMITVGTD/I /XWE0XEVDRGRDU
#% $8 551:8 !8 "%
$% j时相对湿度
AM0GTD2M=E;DUDTNEIUMV$% j
681" 7$1! "715 !81" #"1#
8% j时相对湿度
AM0GTD2M=E;DUDTNEIUMV8% j
681" 751# "61: !718 #61%
44
根据以往的研究’ 在一定温度下!相对湿度与
木材的吸湿解吸速度相关!相对湿度越高!木材吸湿
解吸越慢!因此达到平衡的时间也就越长& 一定相
对湿度下!温度越高!达到平衡的时间就相对短!
8% j比 $% j容易达到平衡& 在试验中也进一步证
实了这一点!吸湿情况下!$% j硫酸浓度为 #%a!
$8a时需陈放 : 天左右!其余浓度%温度时需陈放 "
天左右& 解吸情况下!$% j状态下需陈放 #$ 天左
右!8% j状态下需陈放 #% 天左右&
$4结果与分析
图 $!5 分别为经温度 #!% j相对湿度 #%%a
"G$!#"% j相对湿度 #%%a" Z$及 #7% j相对湿度
#%%a"R$处理后日本柳杉材在环境温度为 $% 和
8% j时的吸湿等温线和解吸等温线&
由图 $!5 可知’经过高温过热蒸汽处理后的木
材!水分吸着等温线的类型没有发生变化!这与
&D;SW/I"#67%$的研究!多孔性纤维组织特有的等温
线形状*&+形是一致的!通常认为多孔性木材具有
所谓*多重性吸着+的特征&
###
林 业 科 学 !" 卷4
图 54经温度 #!% j相对湿度 #%%a"G$%#"% j相对湿度 #%%a"Z$及 #7% j相对湿度 #%%a"R$
处理后柳杉在环境温度分别为 $% 和 8% j时的解吸等温线
@DJ354(W/T=MV;/XT=M;/DWTEVMUMW/VSTD/I /XTVMGTMU &EJDEIUMV#!% j AF#%%a"G$ !
#"% j AF#%%a" Z$ !#7% j AF#%%a"R$GTMI2DV/I;MITG0TM;SMVGTEVM$% GIU 8% j
44由表 $!5 可以看出’ 在环境温度为 $% 和 8% j
的吸湿过程中!当环境湿度为 #"1#a时!#7% j相对
湿度为 #%%a处理后木材的水分吸着量最低"%1$$!
其余条件处理后木材的水分吸着量均比 #7% j相对
湿度为 #%%a处理后木材的高!而且水分吸着量随
处理木材的温度和相对湿度的增高呈减少的趋势!
随环境相对湿度的增加!任一条件处理后木材的水
分吸着量呈增多的趋势&
在环境温度为 $% j的解吸过程中!当环境湿度
为 #"1#a时!#7% j相对湿度为 #%%a处理后木材
的水分吸着量为 #1$# 在环境温度为 8% j的解吸过
程中!当环境湿度为 #61%a时!#7% j相对湿度为
#%%a处理后木材的水分吸着量为 #1#& 由此可见!
#7% j相对湿度为 #%%a处理后木材在解吸过程中
表 B>吸湿过程中不同温湿度处理后木材的水分吸着量!
2&8?B>2+.&F"$)’"0F"(/’$,./",#’(")"0’,.&’.<;""<$)<.,<(00.,.)’’.F#.,&’$,.&)环境温度
)I2DV/I;MITG0
TM;SMVGTEVMij
环境相对湿度
)I2DV/I;MITG0
VM0GTD2M=E;DUDTNia
#!% j #"% j #7% j
% "% #%% L % "% #%% L % "% #%% L
#"1# #1# %17 %1: %1! %16 %18 %15 %1" %1! %1! %1$ %1$
!81" $1" $18 $1! %1$ $17 $1" #16 %16 #17 #1: #18 %15
$% "715 !18 !18 !1! %1# !16 !1! 51! #18 517 518 51$ %1"
7$1! :16 :17 :18 %1$ :18 :15 "1! #1# "17 "1" "1$ %1"
681" #:1% #"1$ #81! #1" #!1" #!1! #!1$ %1! #!1" #!1! #!1! %1$
#61% #1% %16 %1" %1! %1: %1: %1! %15 %1" %18 %15 %15
!718 51% $1: $1! %1" $17 $1" $1% %17 #16 #16 #1! %18
8% "61: !1" !1# 51" %1! 517 517 51$ %1" $16 $17 $1" %15
751# "16 "18 "1% %16 "16 "15 81$ #1: !1: !1" !18 %1$
681" #816 #817 #818 %1! #71# #:1% #"1! #1: #"16 #"17 #!15 $1"
44. L为同温度下%相对湿度为 #%%a处理后木材与相对湿度为 % 处理后木材的水分吸着量差& 下同& LX/VUDXMVMIRM/X;/DWTEVMGUW/VSTD/I
/XTVMGTMU Y//U EIUMVT=MWG;MTM;SMVGTEVM! AFDW#%%a GIU %3+=MWG;MZM0/Y3
表 D>解吸过程中不同温湿度处理后木材的水分吸着量
2&8?D>2+.&F"$)’"0F"(/’$,./",#’(")"0’,.&’.<;""<$)<.,<(00.,.)’’.F#.,&’$,.&)环境温度
)I2DV/I;MITG0
TM;SMVGTEVMij
环境相对湿度
)I2DV/I;MITG0
VM0GTD2M=E;DUDTNia
#!% j #"% j #7% j
% "% #%% L % "% #%% L % "% #%% L
683" $%35 $%3$ $%3# %3$ #63: #636 #637 %3# #636 #637 #63: %3$
7$3! ##3% #%3$ 637 #3$ #%38 63: 638 #3% 638 63! 73: #3$
$% "735 :35 "38 "3# #3$ :3# "3$ 836 #3$ "38 838 835 #3$
!83" !1" !1$ 537 #3$ !1! !15 !3% %3! !18 536 53" %36
#"3# #38 #38 #3$ %35 #36 #37 #3" %35 $3% #3! #3$ %37
683" #63" #63! #63# %38 #63: #63: #63" %3# #637 #63: #63! %3!
753# :3# "3$ 83: #3! "3! "35 83% #3! "3" 83# !1" $3%
8% "63: 83! !1: !1" #3$ !16 !17 !1# %37 83$ 536 538 #3:
!738 53" 538 53! %3$ 538 535 $36 %3" 53: 53% $38 #3$
#63% #3$ #3$ #3# %3# #3" #38 #3! #3$ $3# #3$ #3# #3%
$##
4第 ## 期 齐华春等’ 高温过热蒸汽处理木材的吸湿解吸特性
的水分吸着量也是最低&
由表 $!5 还可看出’ 水分吸着量随处理木材的
温度和相对湿度的增高呈减少的趋势!随环境相对
湿度的降低!任一条件处理后木材的水分吸着量呈
减少的趋势& 由此可见’ 吸湿%解吸过程中!在同一
环境湿度下!高温高湿处理后木材的水分吸着量低
于低温处理后木材的水分吸着量!这说明木材从潮
湿的空气中吸收水分的能力明显下降!是由于木材
中的半纤维素是无定形的物质!其结构具有分支度!
主链和侧链上含有亲水性基团!它是木材中吸湿性
最大的组分& 在高温处理过程中!半纤维素中的某
些多糖容易裂解成为糖醛和某些糖类的裂解产物!
随着热量的作用这些物质又能发生聚合作用生成不
溶于水的聚合物!吸着点降低!因此高温处理可降低
木材的吸湿性&
在任一处理温度下!在所有相对湿度范围内!
$% j时的吸湿过程中水分吸着量均比 8% j时的
大!这是由于处于温度较高状态下水分子的内能比
温度低时的大!而由此造成在吸湿%解吸这一动态平
衡过程中!温度的升高使水分子脱离木材分子束缚
的几率增大了& 因此!在同一相对湿度下!环境温度
较高时的水分吸着量比温度低时的少& 另外!高湿
处理使某些非结晶区以及部分抽提物从木材中移
出!部分木素融化并渗透到纤维素中!经过变化后!
微胶粒可能变得更加聚集& 收缩后!由于降低了抽
提物和基质材料的缘故!相邻的羟基键组自我结合!
导致了对水分子可以得到的吸附点数量的减少!从
而使得水分吸着量减少&
由表 ! 可知’ 经不同温度各相对湿度处理后日
本柳杉材!无论环境温度在 $% j还是在 8% j时!吸
湿解吸含水率的差均为正值!说明处理后木材均有
吸湿滞后现象!这是因为木材中纤维素的吸湿发生
在非结晶区的游离羟基或新产生的游离羟基上!解
吸是已润湿了的纤维脱水发生收缩& 在干燥过程
中!首先是水分子间氢键断裂!这是纤维素 >水体系
中能量最低的结合& 水分脱除后!纤维表面相互靠
近!直到 $ 个纤维素表面间仅保留 # 个单分子水层&
最后水 >oF和纤维素 >oF间的氢键断开形成纤
维素表面之间的氢键& 在这一过程中!由于纤维素
网状结构的内部阻力!阻碍了自由水的分子运动!被
吸着的水不易挥发!非结晶区的部分羟基重新形成
纤维分子内或分子间氢键!但是形成氢键的过程是
不可逆的!重新形成的氢键少了!即吸着中心多了!
因而吸着水量相应较多!产生滞后现象& 根据
pVQE=GVT提出的*有效羟基说+!木材在干燥状态时
分子之间距离接近!因此部分羟基和羟基之间形成
相互间的氢键结合& 当开始吸着水分时!一些氢键
结合分离!但是另外一部分仍然保持相互间氢键结
合的状态& 因此木材中能吸着水分的 *有效的+羟
基数目减少!从而降低了由吸着达到的平衡含水率#
而解吸 过程 不经 过 干 燥 状态! 所以 不 存 在 这
个问题& 44
表 O>B^ 和 P^ _时不同温湿度处理后木材吸湿解吸过程平衡含水率差
2&8?O>GH$(%(8,($FF"(/’$,.-")’.)’<(00.,.)-."0’,.&’.<;""<$)<.,<(00.,.)’’.F#.,&’$,.&)环境温度
)I2DV/I;MITG0
TM;SMVGTEVMij
环境相对湿度
)I2DV/I;MITG0
VM0GTD2M=E;DUDTNia
#!% j #"% j #7% j
% "% #%% % "% #%% % "% #%%
#"3# %3! %3: %38 #3% #35 #35 #3" #3% #3%
!83" $3% #3: #3! #3" #3: $3# $3: $3$ $3#
$% "735 $37 $3% #3: $3$ #37 $38 $3: $3% $3#
7$3! 53# $3! $35 53% $3! 53# $3: $37 $38
683" 535 !3% !1: 83# 838 83" 835 83! 835
#63% %3$ %35 %38 %36 %37 #3% #38 %3: %37
!738 %3" %37 #3% %3: %3: %36 #37 #3# #3#
8% "63: %37 %3" #3% #3# #3% %36 $35 #3# %36
753# %3$ %35 %35 %38 % %3$ #36 %38 %3#
683" 53: 53" 53" #3" $3: 83$ $36 $36 83#
44由表 ! 还可以看出’ $% j时吸湿滞后现象均比
8% j时明显!也就是说!随着温度的升高!平衡含水
率的差值下降& 高温高湿处理后试件的吸湿滞后现
象比低温条件处理的试件明显!具体表现为 $% j环
境湿度在 681"a时!#"% 及 #7% j时吸湿解吸过程
平衡含水率的差值均超过了 8a# 8%j环境湿度在
681"a时!#"% 及 #7% j相对湿度 #%%a处理后的试
件吸湿解吸过程平衡含水率的差值也超过了 8a&
这说明高温高湿处理会使木材的吸湿滞后现象明
显& 这是由于木材主成分 >纤维素具有吸湿性质!
5##
林 业 科 学 !" 卷4
吸湿性的大小取决于无定形区的大小及游离羟基的
数量!游离的羟基易于吸附极性的水分子!与其形成
氢键结合!高温高湿处理使游离的羟基数量减少!从
而导致其吸湿滞后现象较明显& $% 和8% j时!相
同条件处理后木材随环境相对湿度的增加!其平衡
含水率的差值都有增大趋势&
54结论与讨论
通过对温度 #!%!#"%!#7% j!相对湿度为 %!
"%a!#%%a处理后柳杉材吸湿解吸特性的研究!初
步得到了关于木材高温过热蒸汽干燥后木材细胞壁
无定型变化的一些信息’高温过热蒸汽处理木材的
水分吸着等温线的类型没有发生变化# 吸湿%解吸
过程中!在同一环境湿度下!高温高湿处理后木材的
水分吸着量低于低温处理后的木材的水分吸着量!
高温高湿处理使木材从潮湿的空气中吸收水分的能
力有所下降# 在环境温度为 $% 和 8% j的吸湿过程
中!当环境湿度为 #"1#a时!#7% j相对湿度 #%%a
处理后木材的水分吸着量最低"%1$$# 水分吸着量
随处理木材温度和相对湿度的增高呈减少的趋势#
从吸湿解吸特性上看!环境温度在 $%!8%j时!处理
前后的木材均有吸湿滞后现象!高温高湿处理后的
木材的吸湿滞后现象比低温条件处理木材的明显&
参 考 文 献
程万里! 刘一星!齐华春!等3$%%!1木材过热蒸汽干燥过程中的收
缩应 力 " # $ 径 向 收 缩 应 力 特 征3东 北 林 业 大 学 学 报!
5$""$ ’5$ >5!1
程万里!刘一星!师冈敏朗!等3$%%81高温高压蒸汽干燥过程中木材
的收缩应力特征3北京林业大学学报!$:"$$ ’#%# >#%"3
程万里!刘一星!师冈敏朗!等3$%%:1高温高压蒸汽条件下木材的拉
伸应力松弛3北京林业大学学报! $6"!$ ’7! >763
大岛克仁3$%%$1过热水蒸$下78木材8力学特性3京都大学农
学部修士论文3
东原贵志!师冈淳郎!则元京3$%%%1水蒸$%理木材8&缩’形固
定9:8机构3木材学会?! !""!$ ’$6# >$6:3
东原贵志!师冈淳郎!则元京3$%%#1热%理木材8&缩’形固定9
:8机构3木材学会?! !:"5$ ’$%8 >$##3
顾炼百3$%%!1木材加工工艺学3北京’中国林业出版社3
日本木材学会3#6781木材科学实验书 #1物理(工学编3日本’ 东京
中外产业调查会3
赵钟声!刘一星!孟令联3$%%#1高温高压水蒸汽处理制造压缩木%人
造板材的研究3林业机械与木工设备! "##$ ’#" >#:3
’=MIJLGI0D! ]/V//dG+! LE ?DIJ0DI! )+/%I $%%73 +VGIW2MVWM
;MR=GIDRG0ZM=G2D/V/XY//U EIUMV=DJ= TM;SMVGTEVMGIU SVMWWEVD‘MU
WTMG;3@/VMWTkV/UERTW\/EVIG0! 87"#$$ ’ "5 >":3
’=MIJLGI0D! ]/V//dG+! -DE BD_DIJ! )+/%I$%%!1&=VDIdGJMWTVMWW/X
Y//U UEVDIJ UVNDIJ EIUMV WESMV=MGTMU WTMG; GZ/2M #%%j3
F/0‘X/VWR=EIJ! 87"!$ ’!$5 >!$:3
’=MIJLGI0D! ]/V//dG+! LE ?DIJ0DI! )+/%I$%%:3’=GVGRTMVD‘GTD/I /X
TGIJMITDG0W=VDIdGJM WTVMWWMW /X Y//U UEVDIJ UVNDIJ EIUMV
WESMV=MGTMU WTMG;GZ/2M#%% g’3@/VMWTkV/UERTW\/EVIG0! 8:"##$ ’
56 >!53
KYDGIT/L!]/V//dG+!*/VD;/T/]3#6661&TVMWWVM0G_GTD/I /XWEJDY//U
"@(,2+$=)(4/ B/2$04"/ K3K/I$ DI VGUDG0R/;SVMWWD/I EIUMV=DJ=
TM;SMVGTEVMWTMG;3F/0‘X/VWR=EIJ! 85"8$ ’8!# >8!"3
&D;SW/I L3#67%3&/VSTD/I T=M/VDMWGSS0DMU T/Y//U3L//U @DZMVGIU
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!责任编辑4石红青"
!##