全 文 ：第 50 卷 第 12 期
2 0 1 4 年 12 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50，No. 12
Dec．，2 0 1 4
doi:10．11707 / j．1001-7488．20141215
收稿日期: 2014 － 01 － 13; 修回日期: 2014 － 03 － 10。
基金项目: 国家自然科学基金项目(30800866 /C1603，30800866 /C0403)。
利用时域核磁共振研究木材干燥过程
水分状态变化
张明辉 李新宇 周云洁 高玉磊
(内蒙古农业大学 呼和浩特 010018)
摘 要: 以新疆杨幼龄材为研究对象，以水分子中的 H 质子为探针，利用时域核磁共振技术探究木材干燥过程
中水分状态变化与迁移。通过对干燥过程中水分变化的自由感应衰减曲线( FID)和横向弛豫时间( T2)进行测定
与分析，探究木材内部水分状态变化及迁移过程。结果表明: 利用时域核磁共振技术测得新疆杨的理论含水率
(71. 90% )与实际含水率(73. 74% )相差 1. 84%。通过 T2 分布描述木材干燥过程中水分的迁移，例证在木材干燥
的初始阶段结合水也有缓慢减少的现象。通过不同组分水的 T2 弛豫时间对应的峰面积定量计算出新疆杨幼龄材
中不同状态水的含量。对干燥过程中的自由水、结合水及木材总含水量的变化建立相应的数学模型。
关键词: 木材干燥; 时域核磁共振; FID; T2; 自由水; 结合水; 新疆杨; 幼龄材
中图分类号: S781. 33 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2014)12 － 0109 － 05
Water Status Change in Wood Drying Studied By Time-Domain NMＲ
Zhang Minghui Li Xinyu Zhou Yunjie Gao Yulei
( Inner Mongolia Agricultural University Hohhot 010018)
Abstract: Water states and migration in juvenile Xinjiang poplar (Populus alba var． pyramidalis) drying was studied
by time-domain nuclear magnetic resonance ( TD-NMＲ) ． Water in wood drying was investigated through free induction
decay curve (FID) and transverse relaxation time(T2) of proton sensor in water molecules． The results showed that the
difference was 1. 84% between theoretical moisture content (71. 90% ) and actual one (73. 74% ) by using TD-NMＲ
technique; the T2 distribution revealed the water states and migration in wood drying，also the bound water was slowly lost
in the drying initial stage． The mass of different water states in juvenile wood during drying could be calculated according
to peak areas of T2 distributing． Finally mathematical models for free water，bound water and the total water migration
were developed in the drying process．
Key words: wood drying; time-domain NMＲ; FID; T2; free water; bound water; Populus alba var． pyramidalis;
juvenile wood
木材干燥是木材中水分散失的过程。长期以
来，国内外对木材干燥工艺、干燥机制及木材干燥过
程的流变研究均取得了较为显著的成果，并建立了
相应的数学模型(李大纲，1997; 蒋佳荔等，2008;
战剑锋等，2004; Peng et al．，2012; C
ˇ ermk et al．，
2012)。研究表明，不同干燥工艺下木材内部的水
分分布规律存在很大差异: 在常规干燥中，表层含
水率迅速达到纤维饱和点以下，和中心部位形成较
大的含水率梯度; 而在微波真空干燥过程中，木材
内外的含水率梯度被均匀化 (刘志军等，2005; 李
贤军等，2012)。一般来说，木材干燥的数学模型不
仅与干燥方式有关，而且与木材中水分存在的形式、
木材内部构造及材性有关。在常规对流干燥条件
下，可以采用傅里叶导热方程和菲克扩散定律建立
热、质传递模型; 然而在真空、微波干燥过程中，菲
克定律却不适用于对水分扩散的描述 (张璧光等，
2006)。通 过 对 50 mm 厚 兴 安 落 叶 松 ( Larix
gmelinii)板材进行常规干燥，结果表明，可采用线性
函数与指数函数分别描述含水率在低于 20% 和高
于 20%阶段的木材自由干缩率曲线，且相关性较好
(战剑锋等，2009)。
当前绝大多数对木材含水率的计算及木材干燥
林 业 科 学 50 卷
过程中水分迁移的研究主要是分别讨论纤维饱和点
前后木材含水率及木材中水分的迁移机制(伊松林
等，2003; 王喜明等，2005; 李贤军等，2006;
2010; 战剑锋等，2008; 刘鲁滨，2013)，如此，便人
为地将干燥过程划分为自由水和结合水的先后流
失，即只有木材中自由水全部消失殆尽后，结合水才
开始失去，这虽然对于试验分析来说摒除了复杂性，
但是欠缺准确性。本研究通过应用时域核磁共振无
损检测技术同时检测木材干燥过程中自由水和结合
水的变化，能够准确地测量出干燥过程中木材的平
均含水率并揭示水分的迁移过程。
1 材料与方法
1. 1 试样制备
试验材料采用内蒙古自治区呼和浩特市产新疆
杨 ( Populus alba var． pyramidalis ) 幼龄材 (直径
15 cm)。首先钻取直径 20 mm 的圆柱体试样 3 个，
长度为 32 mm(纤维方向)，用砂纸打磨光滑并用毛
刷清理表面木屑备用。
1. 2 试验仪器
本试验所用的主要仪器为德国 Bruker 公司生
产的 LF90 核磁共振分析仪的电子箱、磁体和 25 mm
探头，频率为 6. 22 MHz，90°脉宽为 12. 98 μs，180°
脉宽为 25. 98 μs，仪器死时间为 0. 037 7 ms。
试验过程试件称重使用北京赛多利斯科学仪器
有限公司的 BSA223S 型电子天平，精度为 0. 001 g。
试件的绝干试验使用 AND MS-70 含水率测定
仪，最大称量范围 71 g，精度为 0. 001 g。
1. 3 试验原理
通过 TD-NMＲ (时域核磁共振)在恒定温度下
对木材进行干燥，并同步收集核磁共振的 FID(自由
感应衰减)和 T2(横向弛豫时间)数据。
FID 信号量的初始值用于表征木材中氢原子个
数，即木材中纤维素、半纤维素、木质素、其他含氢化
合物及水所包含的氢原子个数的总和。研究表明，
木材中纤维素、半纤维素、木质素上的氢原子产生的
FID 信号到 35 μs 时衰减为 0(Nanassya，1973)，而
木材中自由水和结合水的氢原子产生的 FID 信号在
60 μs 时开始衰减(Xu et al．，1996)，因此，60 μs 处
信号量为自由水和结合水的总信号量。试验据此计
算木材含水率。
通过对 T2 信号量进行反演得到 T2 分布曲线。
一般认为，每一个峰代表一种状态的水，峰的面积代
表这种状态的水分含量，峰的最高点代表这种状态
水的平均弛豫时间。水分结合得越紧密，弛豫时间
越短; 相反，水分越自由，弛豫时间越长。木材的核
磁共振信号一般分为 3 种组分: 化合水、结合水和
自由水。化合水与木材结合得最紧密，含量最少，一
般在几十微秒内就衰减到零; 结合水与木材结合的
紧密程度次之，弛豫时间在 10 ms 数量级; 而自由
水相对最为自由，弛豫时间在 100 ms 数量级
(Araujo et al．，1992; 1993; Almeida et al．，2007;
Merela et al．，2009; Sharp et al．，1978)。由 T2 数据
反演后所得的峰面积可以计算出木材中自由水和结
合水的含量。
1. 4 试验方法
本试验为低温下的木材干燥试验。由于试验设
备所限，为了保证核磁共振箱中的磁体产生稳定的
磁场，磁体出厂温度设定为 37 ℃，不能修改。本试
验将截好的新疆杨幼龄材试件放入 37 ℃的核磁共
振箱体中进行干燥，干燥过程中实时收集核磁共振
FID 和 T2 数据。FID 参数设置: 扫描次数 32 次，延
迟时间 1. 5 s，采样窗口宽度 1 ms; T2 参数设置: 扫
描次数 32 次，循环采样延迟时间 2 s，回波时间
0. 2 ms，采样点数 3 000 点。
试验过程设定每隔 30 min 进行一次 FID 和 T2
信号采集，每天将样品取出称重 2 次，使得每次称重
都有一个对应的 FID 和 T2 信号量。当木材质量及
FID 信号量大小保持不变时，可认为在 37 ℃下木材
已干燥完毕。最后将试件经过 AND MS-70 含水率
测定仪在标准模式 105 ℃下进行绝干，获得试件绝
干质量。
通过仪器自带的 contin 软件对 T2 数据进行反
演，可获得木材 T2 分布图谱，为干燥过程中的水分
状态与迁移提供依据分析。
为确保试验结果准确，使用相同的试验方法分
别对 3 个试件进行检测，收集试验数据取平均值并
进行分析。
2 结果与分析
2. 1 新疆杨的含水率
因为木材中水的氢原子产生的 FID 信号在
60 μs开始衰减，所以以干燥过程中 60 μs 处的 FID
信号量作为分析数据能够准确地计算出试验新疆杨
幼龄材的平均含水率。称重法是计算木材含水率准
确而常用的方法，为了验证时域核磁共振技术测量
木材含水率的可行性及可信度，分析称重法所得含
水率与 FID 信号量的关系，如图 1 所示。
由图 1 可以看出，木材含水率与 FID 信号量高
度线性相关，相关系数可达 0. 99 以上，说明通过
011
第 12 期 张明辉等: 利用时域核磁共振研究木材干燥过程水分状态变化
FID 信号量可以对木材平均含水率进行准确计算。
由图 1 中的线性回归方程可知，理论上，当 FID 信号
量取最大值(82. 890 354)时，所得理论上的木材初
始含水率为 71. 90%，而实际测得木材初始含水率
为 73. 74%，理论与实际仅相差 1. 84% ;而且，由线
性回归方程可以算出木材干燥过程中任意时刻的平
均含水率。这充分说明应用时域核磁共振技术测定
木材平均含水率是可行的，也是可信的。
2. 2 新疆杨干燥过程中水分状态变化
试验测得试件初始含水率为 73. 74%，核磁共
振低温干燥后所得木材平均含水率为 3. 53%。由
FID 信号量与木材含水率关系方程可以计算出新疆
杨干燥过程中各个时段的平均含水率。试验通过分
析平均含水率分别为 73. 74%，63. 93%，54. 07%，
43. 99%，34. 21%，24. 06%，14. 14%及 3. 53%的 T2
反演数据(表 1、图 2、图 3)，揭示干燥过程木材中水
分状态变化。
图 1 新疆杨含水率与 FID 信号量的关系
Fig． 1 The relationship between moisture content and
Xinjiang poplar total signal of FID
表 1 新疆杨干燥过程 T2 弛豫时间及峰面积①
Tab． 1 The T2 relaxation time and peak area in Xinjiang poplar drying process
含水率
Moisture
content
(% )
T2 分布 T2 distribution
T2 弛豫
时间(1) T2
relaxation
time(1) /ms
T2 弛豫
时间(2) T2
relaxation
time(2) /ms
T2 弛豫
时间(3) T2
relaxation
time(3) /ms
T2 弛豫
时间(4) T2
relaxation
time(4) /ms
T2 峰面积
(1) T2 peak
area (1)
T2 峰面积
(2) T2 peak
area (2)
T2 峰面积
(3) T2 peak
area (3)
T2 峰面积
(4) T2 peak
area (4)
73. 74 0. 40 2. 0 24 300 159 361 7 785 5 269
63. 93 0. 40 9. 8 42 260 140 2 014 3 200 4 452
54. 07 0. 07 8. 0 46 190 60 1 739 1 887 2 863
43. 99 0. 07 7. 9 46 160 49 1 171 1 032 2 339
34. 21 0. 06 6. 4 70 38 723 1 820
24. 06 0. 10 5. 2 96 26 380 1 350
14. 14 2. 40 80. 0 116 1 251
3. 53 0. 13 31. 0 17 1 198
①T2(1)，T2(2)，T2(3)，T2(4)表示有 4 种水分状态，通过分析弛豫时间的数值判断所对应的水是结合水还是自由水。T2(1)，T2(2)，
T2(3) and T2(4) mean there are four water states，and to decide whether bound water or free water through analyzing the water state which T2 relaxation
time corresponding to．
图 2 新疆杨干燥过程的水分 T2 分布
Fig． 2 The water T2 distribution in Xinjiang poplar drying process
表 1 和图 2 显示，木材中水的组分随着干燥时
间增加逐渐减少，由 4 种水分状态减少为最终的 2
种状态。弛豫时间在 100 ms 左右的水为自由水。
随着干燥时间的不断增加，自由水连续排出。当木
材平均含水率在 34. 21%时，自由水即将全部消失，
而当含水率到达 14. 14% 时，自由水已全部消失。
且随着干燥过程的不断进行，峰的顶点左移，峰面积
减小，表明自由水的平均弛豫时间逐渐变短，自由水
含量逐渐减少。
在自始至终的木材干燥过程中，结合水的平均
弛豫时间逐渐变短，峰面积逐渐减小，这充分说明木
材在干燥的初始阶段结合水已经开始失去。不同的
是，与自由水平均弛豫时间的线性减小(直线 A)相
比，结合水的平均弛豫时间减小趋势为先缓后急
(折线 B)。
为了更直观地描述木材干燥过程中水分的状态
变化，做三维图如图 3 所示。
111
林 业 科 学 50 卷
图 3 新疆杨干燥过程水分 T2 分布
Fig． 3 The three-dimensional map of water T2 distribution in
Xinjiang poplar drying process
图 3 为图 2 的三维方式显示。在新疆杨的整
个干燥过程中，自由水和结合水的平均弛豫时间均
逐渐变短。图 3 较图 2 更能清晰地描述峰面积的变
化是逐渐减小的。
2. 3 新疆杨自由水和结合水含量
由于 T2 反演后的峰面积代表不同水分的含量，
试验所用试件的含水率为 73. 74%，水的质量为
2. 362 g。通过分别计算不同弛豫时间对应的峰面
积可以定量计算出木材中自由水和结合水的含量。
结果算得自由水含量 1. 621 g，结合水含量 0. 741 g，
结合水占木材中水分总量的 31%，这是符合木材平
均纤维饱和点范围的。
2. 4 新疆杨干燥过程水分变化的数学模型
通过对不同水分的 T2 弛豫时间所对应的峰面
积进行分类求和，分别对新疆杨干燥过程中自由水、
结合水及总含水量随时间的变化进行分析，并建立
相应的数学模型，如图 4 ～ 6。
在新疆杨幼龄材的干燥过程中，自由水含量较
多，线性减少，且在相对较短的时间内全部消失; 与
自由水不同，结合水含量较少，但其散失过程贯穿整
个干燥区间，且含量以指数函数递减。若对木材中
的水分状态不加以区分，只分析总含水量随时间的
变化，则在新疆杨的干燥过程中，总含水量与干燥时
间呈指数减少的关系。
3 结论
1) 通过时域核磁共振技术能较为准确地测量
出木材的含水率，且 FID 信号量与木材含水率所构
建的回归方程能够准确地计算出木材干燥过程中各
图 4 新疆杨干燥过程自由水的变化
Fig． 4 The free water mass change in Xinjiang poplar drying process
图 5 新疆杨干燥过程结合水的变化
Fig． 5 The bound water mass change in Xinjiang popalr drying process
图 6 新疆杨干燥过程总含水量的变化
Fig． 6 The total water mass change in Xinjiang poplar drying process
个时段的平均含水率。试验结果算得新疆杨试件的
理论含水率为 71. 90%，与实际含水率(73. 74% )相
比仅相差 1. 84%。
2) 时域核磁共振技术能够准确地描述出木材
干燥过程中水分的状态变化。在木材干燥的初始阶
段，以自由水减小为主，结合水含量也有所减小，自
由水的排出较快，结合水的排出较慢。
3) 通过不同状态水的 T2 弛豫时间对应的峰面
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第 12 期 张明辉等: 利用时域核磁共振研究木材干燥过程水分状态变化
积可以定量计算出木材中自由水和结合水的含量。
试验所用新疆杨自由水含量为 1. 621 g，结合水含量
为 0. 741 g。
4) 通过对不同水分的 T2 弛豫时间所对应的峰
面积进行分类求和，对干燥过程中自由水、结合水变
化进行分析，建立相应的数学模型。结果表明: 在
干燥过程中，自由水线性减少，且短时间内全部消
失; 结合水含量指数减少，且速率较慢; 在整个木
材的干燥过程中，水分的含量与干燥时间呈指数关
系。
参 考 文 献
蒋佳荔，吕建雄 ． 2008． 干燥处理木材动态黏弹性的含水率依存性 ．
林业科学，44 (9) : 118 － 124．
李大纲 ． 1997． 马尾松木材干燥过程中水分的非稳态扩散 ． 南京林
业大学学报，21 (1) : 75 － 79．
李贤军，孙伟圣，周 涛，等 ． 2012． 微波处理中木材内温度分布的
数学模拟 ． 林业科学，48 (3) : 117 － 121．
李贤军，吴庆利，姜 伟，等 ． 2006． 微波真空干燥过程中木材内的
水分迁移机理 ． 北京林业大学学报，28 (3) : 150 － 153．
李贤军，蔡智勇，傅 峰 ． 2010． 干燥过程中木材内部含水率检测
的 X 射线扫描方法 ． 林业科学，46 (2) : 122 － 127．
刘鲁滨 ． 2013． 干燥过程中木材内水分的移动 ． 黑龙江科技信息，
(27) : 264．
刘志军，张璧光，刘 智 ． 2005． 微波干燥过程中木材内部水分移
动机理初探 ． 北京林业大学学报，27 ( S1) : 51 － 55．
王喜明，贺 勤 ． 2005． 桉树木材干燥过程曲线的研究 ． 北京林业
大学学报，27 ( S1) : 13 － 17．
伊松林，张璧光，常建民 ． 2003． 木材真空 － 浮压干燥过程中吸着
水迁移特性分析 ． 北京林业大学学报，25 (6) : 60 － 63．
战剑锋，顾继友，蔡英春 ． 2009． 落叶松板材常规干燥过程的动态
机械吸附特性 ． 北京林业大学学报，31 (2) : 108 － 113．
战剑锋，顾继友，艾沐野 ． 2004． 白桦木材干燥过程横纹流变特性
的初步研究 ． 林业科学，40 (5) : 174 － 179．
战剑锋，顾继友，蔡英春 ． 2008． 落叶松板材干燥过程的结合水扩
散系数 ． 南京林业大学学报，32 (4) : 6 － 10．
张璧光，谢拥群 ． 2006． 木材干燥的国内外现状与发展趋势 ． 干燥
技术与设备，4 (1) : 7 － 14．
Almeida G，Gagne S，Hernandez Ｒ E． 2007． A NMＲ study of water
distribution in hardwoods at several equilibrium moisture contents．
Wood Sci Technol，41(4) : 293 － 307．
Araujo C D，MacKay A L，Hailey J Ｒ T，et al． 1992． Proton magnetic
resonance techniquesfor characterization of water in wood:
application to white spruce． Wood Sci Technol，26: 101 － 113．
Araujo C D，MacKay A L，Whittall K P，et al． 1993． A diffusion model
for spin-spin relaxation of compartmentalized water in wood． J Magn
Ｒeson B，101 (3) : 248 － 261．
Cˇ ermk，P， Trcala M． 2012． Influence of uncertainty in diffusion
coefficients on moisture field during wood drying． International
Journal of Heat and Mass Transfer，55 (25 /26) : 7709 － 7717．
Merela M，Oven P，Sera I，et al． 2009． A single point NMＲ method for
an instantaneous determination of the moisture content of wood．
Holzforschung，63 (3) : 348 － 351．
Nanassy A J． 1973． Use of wide line NMＲ for measurement of moisture
content in wood． Wood Sci，5(3) : 187 － 193．
Peng Y，Li F，Yang F，et al． 2012． Effect of steam pretreatment on
wood moisture content and characteristics of vacuum drying． Forestry
Studies in China，14 (4) : 315 － 319．
Sharp A Ｒ，Ｒiggin M T，Kaiser Ｒ， et al． 1978． Determination of
moisture content of wood by pulsed nuclear magnetic resonance．
Wood Fiber，10 (2) : 74 － 81．
Xu Y，Araujo C D，Mackay A L， et al． 1996． Proton spin-lattice
relaxation in wood: T1 related to local specific gravity using a fast-
exchange model． Journal of Magnetic Ｒesonance: Series B，110
(1) : 55 － 64．
(责任编辑 石红青)
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