全 文 ：第 v{卷 第 u期
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林 业 科 学
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马尾松木材在高温干燥中的水分扩散性
苗 平 顾炼百
k南京林业大学木材工业学院 南京 utssvzl
摘 要 } 对马尾松木材在高温干燥过程中的水分非稳态扩散进行了研究 o结果表明当含水率高于纤维饱和
点时 o水分扩散系数随含水率的降低而增加 ~当含水率低于纤维饱和点时 o水分扩散系数随含水率的 下降而
减少 ∀马尾松木材的径向扩散系数大于弦向扩散系数 ∀随着温度的升高和相对湿度的降低 o木材的横向水分
扩散系数增大 ∀
关键词 } 高温干燥 o非稳态扩散 o扩散系数
收稿日期 }usss2s|2tx ∀
ΜΟΙΣΤΥΡΕ ΥΝΣΤΕΑ∆Ψ2ΣΤΑΤΕ ∆ΙΦΦΥΣΙΟΝ ∆ΥΡΙΝΓ ΗΙΓΗ ΤΕΜΠΕΡΑΤΥΡΕ
∆ΡΨΙΝΓ ΟΦ ΜΑΣΣΟΝ ΠΙΝΕ ΤΙΜΒΕΡ
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木材在高温干燥过程中 o水分的迁移包含自由水的渗透 o结合水和蒸发水的扩散k§¬©©∏¶¬²±l ∀木材
中水分的扩散是指木材内部所含的结合水和蒸发水 o在一定条件下在木材内部移动的一种形式 ∀木材
内水分扩散又分为稳态扩散和非稳态扩散两种类型 ∀稳态扩散指木材内的水流通量k单位时间内流过
单位面积的水的质量l和含水率梯度在一定的环境温度和湿度下不随时间变化 ∀而非稳态扩散指木材
内的水流通量和含水率梯度随时间和空间而变化 ∀木材加热 !抽真空或干燥过程都是非稳态的水分扩
散过程 o所以研究木材高温干燥过程中水分的非稳态扩散在木材加工及处理中具有极为重要的意义 ∀
由于实际干燥过程中 o板材的表面积很大 o侧面和端部的面积相对来说比较小 o水分蒸发主要从板材的
表面 o水分的扩散也主要是沿板材的厚度方向进行 ∀板材端头和侧面的水分扩散可以忽略不计 ∀所以
本文只对板材厚度方向上的水分扩散进行了测试和研究 ∀
t 基本理论
人们常用斐克kƒ¬¦®l第 u定律来描述水分在木材中的非稳态扩散 ∀在等温条件下 o其一维形式的
水分扩散的数学公式由以下的偏微分方程表示k≥¬∏¤ot|{wl }
5 Μ
5 τ €
5
5 Ξ ∆
5 Μ
5 Ξ ktl
式中 }Μ为木材的含水率 ~τ为时间k¶l ~Ξ为试件表面到板厚一半的距离k°°l ~∆为与木材平均含水率
相对应的水分平均扩散系数k°°u#¶ptl ∀
并满足边界条件 }
τ € s ~ Μ € Μs ~ p α [ Ξ [ α kul
Ξ € ? α~ ? ∆ 5 Μ5 Ξ € Σk Με p Μsl kvl
式中 }Με 为木材平衡含水率 ~Μs 为试件的表层含水率 o近似认为与试件在干燥介质中的平衡含水率相
符 ~α为板厚的一半k°°l ~Σ为表面扩散系数k°°u#¶ptl ∀
在一定的含水率范围内 o相应的扩散系数变化不大 o那么就可以得到近似的结果 ∀方程ktl简化为
通用的无因次方程 }
hΕ € Μ p ΜιΜs p Μι kwl
式中 }hΕ为试件平均含水率的变化率 ~Μ为时间 τ时的试件平均含水率 ~Μι 为试件的初含水率 ∀
同时引进无量纲时间 Σ}
Σ € τ∆kΛΠulu €
wτ∆
Λu kxl
式中 }τ为时间k¶l ~∆为扩散系数k°°u#¶ptl ~ΛΠu为试件厚度的一半k°°l ∀
当 Σ s1v时 hΕ € t qtv Σ kyl
将kxl代入kyl式 o得
∆ € k
hΕlu Λu
x qtsτ kzl
若平板试样的含水率在较短的时间间隔内 o则其后的 hΕ值可根据试样重量计算 ∀设在含水率的小
范围内 ∆不变 o那么 hΕu 和 τ之间存在着线性关系 o扩散系数可按斜率计算 ∀
u 试验材料和方法
211 试验材料
试材为马尾松k Πινυσ µασσοµιαναl木材 ∀由于板材的径向扩散系数与弦向扩散系数有差别 o所以对
径切板和弦切板在相同的条件下分别进行试验 o各锯取 u ∗ w块试件 ∀试件的板面要足够大 o将试件加
工成长 uss°° o宽 tss°° o厚kl为 y°°的平板 o使其水分主要沿厚度单向扩散 ∀为了减少侧向和断面
的水分损失 o可以用硅橡胶将其封闭 ∀由于试件的宽度与厚度之比为 tx以上 o可以认为试件在干燥过
程中的水分迁移只沿厚度方向进行 ∀
表 1 试验条件
Ταβ .1 Χονδιτιονσ οφτεστσ
试验种类
× ¶¨·¶
干球温度
⁄µ¼2¥∏¯¥·¨°³¨µ¤·∏µ¨k ε l
湿球温度
• ·¨2¥∏¯¥·¨°³¨µ¤·∏µ¨k ε l
相对湿度
• ¨¯¤·¬√¨ «∏°¬§¬·¼k h l
平衡含水率
∞´ ∏¬¯¬¥µ¬∏° °²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·k h l
t tss zx vy v q{
u tsx {x wy w qw
v tts |s wy w qu
w tsx zs uv v qs
x tus |s vx u q{
212 试验方法
对锯出的试件测其厚度 !称重 o并从中取出一块称重 o放入烘箱烘至绝干 o用于计算试件的初含水
率 ∀为了测取较大范围的含水率 o可将试件用水浸泡透 o放进调温调湿箱中 o预热一段时间 o然后记录下
调温调湿箱中的干 !湿球温度 o在整个试验中温度保持恒定 ∀称每一块试件的重量 o以后每隔 ts °¬±重
复 t次 o直到其含水率达到 x h以下 ∀最后将试件放入烘箱 o以 tsv ? x ε 的温度烘至绝干 ∀这样便可以
求出各个时间段的含水率 o计算出各相应的干 !湿球温度下的平均含水率 o通过公式 w和 z计算出 ∆ o最
wst 林 业 科 学 v{卷
后分别将每块试件的扩散系数和其厚度加权平均 o得出用以计算板材含水率的平均扩散系数 ∀由于本
文研究木材高温干燥过程中水分的扩散 o因此水分扩散的试验中 o干球温度均在 tss ε 以上k表 tl ∀
v 结果和讨论
图 t 马尾松弦切板在高温下的非稳态扩散系数
ƒ¬ª1t ˜±¶·¨¤§¼2¶·¤·¨ §¬©©∏¶¬²± ¦²¨©©¬¦¬¨±·¶
¬±µ¤§¬¤¯ §¬µ¨¦·¬²± ²© ¤¶¶²± ³¬±¨ ·¬°¥¨µ

图 u 马尾松径切板在高温下的非稳态扩散系数
ƒ¬ª1u ˜±¶·¨¤§¼2¶·¤·¨ §¬©©∏¶¬²± ¦²¨©©¬¦¬¨±·¶
¬±·¤±ª¨±·¬¤¯ §¬µ¨¦·¬²± ²© ¤¶¶²± ³¬±¨ ·¬°¥¨µ

图 t ∗ v是马尾松小试件在高温干燥过程中的非稳态扩散试验的计算结果 ∀可以看出 o木材的横向
扩散系数受多种因素影响 o如木材含水率 o木材纹理方向 o木材所处的环境状况k温度 o相对湿度及木材
的平衡含水率l ∀
从图 t和图 u来看木材的弦向扩散系数和径向扩散系数的最大值均在木材的纤维饱和点附近 ∀当
含水率在纤维饱和点以上时 o由于是水蒸气的扩散 o因而扩散系数是随含水率的减小而增大 ∀当含水率
在纤维饱和点以下时 o扩散系数随含水率的减少而减小 ∀木材在干燥过程中 o内部的水分向外层移动 o
从而形成了内高外低的含水率梯度和水蒸气分压梯度 o木材表层的含水率首先降低到纤维饱和点以下 o
而这时木材的平均含水率远在纤维饱和点以上 ∀在纤维饱和点以下的结合水扩散速度比在纤维饱和点
以上的水分迁移速度慢 o因此纤维饱和点以下的结合水扩散速度抑制了纤维饱和点以上的自由水的移
动速度 ∀含水率在纤维饱和点以上的中心部分的水分迁移并不是扩散现象 o但由于水分迁移受到含水
率在纤维饱和点以下的外围部分扩散的抑制 o因此整块木材的水分迁移由扩散速度所决定 ∀这就是为
什么有人把整个含水率范围内的木材的干燥过程认为是扩散现象 ∀随着木材的平均含水率的降低 o其
含水率在纤维饱和点以上的木材中心部分的水分在减少 o含水率低于纤维饱和点的木材由表层向里层
不断延伸 o因此木材的扩散随着含水率的降低而增加 ∀当含水率到达纤维饱和点时 o木材中的自由水蒸
发完毕 o扩散系数达到最大值 ∀含水率在纤维饱和点以下 o水分以水蒸气和结合水的形式在木材内扩
散 ∀因此在木材内移动的水分的全扩散系数 ∆是由水蒸气的扩散系数 ∆ς 和结合水的扩散系数 ∆β 组
合而成的 ∀ ∆ϖ是通过纹孔膜的微细孔的水蒸气扩散系数 ∀因为微细孔的大小和水蒸气分子的平均自
由程是同一个数量级 o由于通过微细孔的水蒸气的扩散是在受到束缚的状态下进行的 o当水蒸气分子通
过纹孔膜上的微细孔时 o因为与纹孔膜碰撞而被吸着的水蒸气分子很多 o所以通过微孔的速度比通过细
胞腔要慢k渡 治人 ot|{yl ∀因此在纤维饱和点以下意味着缓慢的结合水的扩散控制着全扩散的速度 ∀
从图 v来看 o无论在什么样的外部环境中 o木材的径向扩散系数均大于弦向的扩散系数 ∀这可以从
马尾松木材的微观结构上找出答案 o马尾松木材构造的各向异性决定了木材横向扩散的各向异性 ∀图
xst 第 u期 苗 平等 }马尾松木材在高温干燥中的水分扩散性
图 v 马尾松木材径向 !弦向非稳态扩散系数的比较
ƒ¬ª1v ≤²°³¤µ¬¶²± ²©∏±¶·¨¤§¼2¶·¤·¨ §¬©©∏¶¬²± ¦²¨©©¬¦¬¨±·¶¬±µ¤§¬¤¯ §¬µ¨¦·¬²± º¬·«·¤±ª¨±·¬¤¯ §¬µ¨¦·¬²±

w为马尾松木材横断面的显微构造图 o组成马尾松木材的主要细胞是沿树干排列的纵向管胞和水平的
沿半径方向排列的木射线 ∀这些细胞壁都有纹孔 o在木射线薄壁细胞和纵行管胞相交叉的井字区有大
量的窗格状纹孔 o这些纹孔都是单纹孔 o对水分扩散的阻力最小 ∀他们和细胞组成纵横的毛细管通道 o
非常有利于水分的传导 ∀管胞之间的横向通道由径面壁上的具缘纹孔构成 o弦面壁上的纹孔极少 o并且
一般只位于年轮交界处 o而径面壁上的纹孔较为丰富 o但是马尾松木材横向最重要水分扩散途径还是径
向树脂道 ∀
yst 林 业 科 学 v{卷
¤q弦切面 פ±ª¨ ±·¬¤¯ ¶¨¦·¬²± ¥q径切面 •¤§¬¤¯ ¶¨¦·¬²±
图 w 马尾松木材横切面上的显微构造图
ƒ¬ª1w ¬¦µ²¶·µ∏¦·∏µ¨ ²±·«¨ ·µ¤±¶√¨ µ¶¨ ¶¨¦·¬²± ²© ¤¶¶²± ³¬±¨ ·¬°¥¨µ
表 2 木材的含水率在 30 %以下时扩散系数随含水率变化的回归方程
Ταβ .2 Ρεγρεσσιον εθυατιονσ οφ διφφυσιον χοεφφιχιεντσ ωιτη µοιστυρε χοντεντ χηανγε βελοω Φ.Σ .Π.
扩散方向
⁄¬©©∏¶¬²± §¬µ¨¦·¬²±¶
干球温度Π湿球温度
⁄µ¼Πº ·¨2¥∏¯¥·¨°³¨µ¤·∏µ¨k ε l
方 程
∞´ ∏¤·¬²±¶
相关系数
Ρu
弦 向 פ±ª¨ ±·¬¤¯ tssΠzx ∆ € p s qssw Μu n s qussz Μn v q|{y| s q|yyy
径 向 •¤§¬¤¯ tssΠzx ∆ € p s qsst{ Μu n s qzu| Μn y qyzuv s q|xu{
弦 向 פ±ª¨ ±·¬¤¯ tsxΠ{x ∆ € p s qss| Μu n s qvtsx Μn v q|v|{ s q|y|u
径 向 •¤§¬¤¯ tsxΠ{x ∆ € p s qsstw Μu n s qsy{y Μn x quxtz s q||yt
弦 向 פ±ª¨ ±·¬¤¯ ttsΠ|s ∆ € p s qsswy Μu n s qtzxv Μn w qu{x s q|v|t
径 向 •¤§¬¤¯ ttsΠ|s ∆ € p s qss|u Μu n s qvsyx Μn w q|uwv s q|u{w
弦 向 פ±ª¨ ±·¬¤¯ tsxΠzs ∆ € p s qsswu Μu n s qt| Μn x qs|yt s q|{wt
径 向 •¤§¬¤¯ tsxΠzs ∆ € p s qssuz Μu n s qttwt Μn y qz|z| s q|y|t
弦 向 פ±ª¨ ±·¬¤¯ tusΠ|s ∆ € p s qssvy Μu n s qtxzy Μn y qyytt s q|yy
径 向 •¤§¬¤¯ tusΠ|s ∆ € p s qssxy Μu n s qt||t Μn z qw{wt s q|{{x
马尾松木材在高温干燥过程中所处环境中的介质温度和湿度不同 o使得木材在该介质条件下的平
衡含水率的大小对木材的水分扩散系数有影响 ∀从试验得到的各种温度和相对湿度下的平衡含水率数
值k表 tl和各种干 !湿球温度下的水分扩散系数的变化情况k图 t和图 ul o可以看出木材的平衡含水率
越低 o水分扩散系数越高 ∀木材中水分的扩散是由蒸汽压力梯度引起的 ∀在木材干燥过程中 o木材内部
的水蒸气分压力大于木材表面的水蒸气分压力 o这是保证木材中水分向介质中排除的条件 ∀随着木材
的平衡含水率的提高 o介质中的相对湿度增加 o介质中水蒸气分压力相应增加 o而木材中的水蒸气分压
与介质中的水蒸气分压力之差就相对减小 o即木材中水分扩散的驱动力相对减小 o从而木材的水分扩散
系数减小 ∀
扩散系数对含水率在纤维饱和点以下的木材干燥阶段非常重要 o所以对木材含水率在 vs h以下的
扩散系数进行回归k表 ul ∀由此可以看出木材的水分非稳态扩散是有其本身的规律性 ∀
w 结论
当含水率在纤维饱和点以上时 o马尾松木材的水分扩散系数随含水率的下降而增加 ~当含水率低于
纤维饱和点时 o随着含水率的下降 o马尾松木材的水分扩散系数下降 ∀
马尾松木材的径向水分扩散系数大于弦向水分扩散系数 ∀
随着介质温度的升高 o湿度的降低 o马尾松木材的横向水分扩散系数增大 ∀
参 考 文 献
渡 治人k日l著 o张勤丽等译 q木材应用基础 q上海 }上海科学技术出版社 ot|{y outx ∗ uuv
≥¬¤∏ƒ q×µ¤±¶³²µ·³µ²¦¨¶¶¨¶¬± º²²§q≥³µ¬±ª¨µ2∂ µ¨¯¤ª …¨ µ¯¬± ‹ ¬¨§¨ ¥¯¨µªo ‘¨º ≠²µ®oײ®¼²ot|{w otzx ∗ uux
zst 第 u期 苗 平等 }马尾松木材在高温干燥中的水分扩散性