绪论
一、木材干燥学概述
中国社会进入新时代，社会经济发展速度加快，人民生活水平不断提高，人们对家具和室内装饰的需求量日益扩大。目前家具的材料虽然种类繁多，有实木、人造板、金属、塑料、竹藤等，但由于木材具有美丽的天然纹理和色彩，具有吸音、隔热、调节室内温度与湿度等多种优点，同时又是当今世界四大原材料（钢材、水泥、木材、塑料）中唯一可以再生和循环利用的绿色材料，因此人们日益偏爱木质家具，特别是实木家具。这就导致木材的需求量日益增多，2020年我国锯材产量已达7593万m3。减少木材损失和提高木材利用率已成为解决木材供需矛盾的主要途径之一。木材干燥（wood drying）是保障和改善木材品质、减少木材损失、提高木材利用率的重要环节。目前我国尚有相当多的木材由于未经干燥处理或干燥设备落后及干燥工艺不当等，存在开裂（check）、变形（distortion）、腐朽（decay）、虫蛀（damaged by vermin）、皱缩（collapse）、变色（discoloration）等缺陷，木材资源的浪费现象十分严重，这正是我国木材干燥领域从业人员与科研工作者所面临的严峻形势。
干燥是一门传统的通用技术，在人们生活和工业生产中处处可见，特别是在工业生产中，从农业、食品、化学、医药、矿产到造纸、木材等几乎所有产业都会运用到干燥技术。干燥是一个高能耗的生产环节，在工业产品总能耗中，干燥能耗占比为4%（化学工业）、35%（造纸工业）、40%～70%（木材工业）。发达国家的平均干燥能耗占总能耗的12%，我国万元GDP能耗水平是发达国家的3～11倍，木材干燥的能耗占木制品生产总能耗的40%～70%。干燥过程中产生的废气含有大量的烟尘、二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、甲醛、苯和萜烯类气体，是造成大气温室效应、酸雨和臭氧层破坏的主要因素。因此，干燥生产环节在工业生产中变得越来越重要，干燥科学也受到全社会的关注并得到了长足的发展。
（一）木材干燥学研究的对象和内容
新采伐的木材中含有大量的水分，在木材被加工利用之前，须采取适当的措施，使木材的含水率降低到一定程度，以保证木制品的质量与使用寿命。那么，如何降低木材的含水率呢？通常的做法就是对木材进行干燥处理。木材干燥的一般步骤是：*先提高木材的温度，使木材中的水分以水和水蒸气的形式向木材表面移动；其次在循环介质的作用下，使木材表层的水分以水蒸气的形式离开木材表面。
木材干燥方法（drying method）大体可分为机械干燥（mechanical drying）、化学干燥（chemical drying）、热力干燥（thermal drying）三类。通常所说的木材干燥是指在热力作用下以蒸发、扩散、渗流等方式排出木材中水分的处理过程。
木材干燥学研究的对象为锯材干燥（lumber drying）。研究内容主要包括木材干燥介质，木材的干燥特性及其干燥过程中的热、质传递规律，木材干燥设备、工艺及干燥室（也称“干燥窑”）的设计。因此，木材干燥学是一门综合木材学、热工、机械、建筑、自动控制、环境科学等多学科的应用科学，是木材科学与技术领域的一个重要分支。
（二）木材干燥的基本原理
木材干燥的目的就是排除木材中多余的水分，以适应不同的用途和质量要求。木材干燥的基本原理就是木材中的自由水，在木材毛细管张力、加热引起的水蒸气压力等作用下，沿大毛细管系统向蒸发界面迁移（渗流），并在该处向干燥介质（drying medium）蒸发；木材中的结合水，在热力作用下由被微毛细管系统吸附、毛细管凝结的液面向系统内的空气蒸发，进而在含水率梯度（moisture gradient）、温度梯度、水蒸气压力梯度等作用下，以液态和气态两种形式连续地由木材内部向蒸发界面（木材表面）迁移和扩散；内部水分向蒸发界面的迁移速度与界面处水分蒸发强度尽量协调一致，使木材由表及里均衡地变干。以木材常规干燥过程为例：*先采用100℃以下的高湿（饱和或接近饱和）的循环空气对木材进行预热处理，当木材内部被加热到规定的温度后，按干燥基准**阶段的参数降低介质的温度和相对湿度，使木材厚度方向上形成内高外低的含水率梯度、温度梯度和水蒸气压力梯度，这些梯度作为水分移动的驱动力迫使木材中的水分由内向外移动，并促进木材表面水分的蒸发，这时干燥过程即可开始。其次按照干燥基准逐步提高介质的温度和降低相对湿度，使木材中水分由表及里均衡排出，直到干燥结束。在干燥过程中，应尽可能消除或减轻内应力、开裂和变形，在不影响木材物理力学性质的前提下，确保干燥质量。木材干燥的基本原则是在确保干燥质量、节能、环保及低成本的前提下尽可能提高木材的干燥速率（drying rate）。
（三）木材干燥的意义
木材具有质量轻，机械强度高，耐酸、碱腐蚀，热绝缘性与电绝缘性好，易于切削，纹理、色泽美丽等优良特性，但这些优良特性只属于干燥后的木材。由于湿木材的含水率较高，密度大，机械强度低，物理、力学性能较差，易腐朽等，不宜直接作为民用和工业用材，因此一般民用和工业用材必须经过干燥处理。木材干燥可以从很多方面提高木材的使用性能，主要表现如下。
1）木材干燥可以提高木材和木制品的力学强度、胶结强度及表面装饰质量，改善木材的加工性能。当木材含水率低于纤维饱和点时，木材的力学强度将随着含水率的降低而提高，干木材的切削阻力小于湿木材；湿木材对胶黏剂与涂料有稀释作用，降低了木材的胶结强度与表面装饰质量。例如，松木由含水率30%降低到18%时，其静*强度将从50MPa增至110MPa。
2）木材干燥可以提高木材和木制品形状、尺寸的稳定性，防止木材开裂。当木材含水率在纤维饱和点以下时，木材在空气中随空气湿度的变化会发生干缩与湿胀现象：当木材干缩时木质门窗有缝隙，接榫松脱，若干缩不均匀还会引起开裂、变形等；当木材发生湿胀时，可能出现木地板翘起和门窗不能闭合等现象。
3）木材干燥可以预防木材的变质与腐朽，延长木制品的使用寿命，进而延长木材及木制品的储碳周期。湿木材长期置于大气中，往往会发生腐朽或遭受虫害等。木材的腐朽是由木腐菌造成的，多数木腐菌在木材含水率高于20%时方能繁殖；当含水率在纤维饱和点以上时，木腐菌会严重地危害木材；当含水率在20%以下时，木腐菌的生长会受到限制。因此，对木材进行干燥处理是防止木材腐朽的有效措施之一。另外，木腐菌的适宜生长温度为24～32℃，在12℃以下或46℃以上，木腐菌几乎完全终止生长。木材经过干燥或采用蒸汽处理后，木腐菌可被杀死。高温高湿比单纯高温的杀伤力更强。因此，将木材的含水率降至8%～12%时，不仅可以保证木材固有的性质和强度，而且可以提高木材的抗腐朽能力。通过提升木材和木制品的产品质量和使用的耐久性，延长木材及木制品的储碳周期，可充分发挥木材及木制品应对全球气候变化的碳储贡献；绿色节能的木材干燥技术有助于实现木材工业节能减排的“双碳”目标。
4）木材干燥可以改善木材的环境学特性。木材经过干燥处理后，内部水分含量与周围环境的湿度相平衡，进一步改善了其视觉特性、触觉特性、听觉特性、嗅觉特性和对环境的调节特性；干燥后的木材对环境中有害气体的吸附能力增强，与人和环境更加和谐。
5）木材干燥减轻了木材的质量，有利于提高运输车辆的装载量，降低运输成本。湿材在运输过程中不但易受虫害，发生腐朽，而且含有大量的水分，运输很不经济。如果先对木材进行适当的干燥处理，使木材的含水率降低到 20%以下，则可节约大量的运输力。
6）木材干燥可提高木材的热绝缘性与电绝缘性。当木材的含水率低于纤维饱和点时，含水率越低，导热性与导电性越小。
二、木材的干燥方法
木材干燥的方法种类繁多。按照木材中水分排出的方式可分为热力干燥、机械干燥和化学
干燥等。热力干燥是通过水分子热运动破坏水分子与木材之间的结合力，使水分子以汽化或沸腾的方式排出木材；机械干燥是通过离心力或压榨作用排出木材中的水分；化学干燥是使用吸水性强的化学品（如氯化钠等）吸取木材中的水分，实现木材干燥。其中，机械干燥和化学干燥方法不适于大规模生产，除偶尔用作辅助干燥方法外，极少被采用。实际上木材干燥方法主要是指热力干燥。热力干燥按干燥条件是否被人为控制可分为大气干燥（air drying）和人工干燥（artificial drying）两大类。大气干燥是利用自然界空气中的太阳能、湿度梯度和风力对木材进行干燥；人工干燥是利用专用设备，人为控制干燥过程的方法。根据木材加热方式的不同，热力干燥又可分为对流干燥、电介质干燥、辐射干燥和接触干燥。对流干燥是流动的干燥介质将热量传给木材的干燥方法。根据干燥介质的不同，对流干燥还可分为湿空气干燥、过热蒸汽干燥、炉气干燥和有机溶剂干燥等。其中以湿空气为介质的干燥方法包括大气干燥、常规干燥、除湿干燥、太阳能干燥和真空干燥等。电介质干燥是将湿木材作为电介质，将其置于高频或微波电磁场中进行干燥的方法，主要包括高频干燥和微波干燥。辐射干燥主要是指红外线干燥，木材中的水分子吸收了红外线辐射能，使水分子产生共振，从而将电磁能转化为热能来加热木材，达到干燥木材的目的。木材热能是由加热器辐射传递的。接触干燥是将被干燥木材与加热物体表面直接接触，通过二者热量传导来蒸发木材水分的方法。
（一）木材大气干燥
大气干燥简称为气干，是自然干燥的主要形式，分为自然大气干燥（ natural drying）（简称自然气干）和强制大气干燥（ forced air drying）（简称强制气干）两种。自然大气干燥是一种古老而又简单的干燥方式。它是把木材按照一定的方式堆放在空旷的场院（又称为板院）或棚舍内，让自然空气流过材堆（ stack），使木材内水分逐步排出，以达到干燥的目的。其特点是简单，不需要太多的干燥设备，节约能源；但这种方法占地面积大，干燥时间长，干燥过程不能人为控制，易受地区、季节、气候等条件的影响；终含水率（ 10%～20%）较高，在干燥期间易产生虫蛀、腐朽、变色、开裂等缺陷。所以，单纯的自然气干在实际生产中比较少见。强制大气干燥是自然大气干燥的发展，其是指在板院或棚舍内用通风机（提供 1m/s左右的风速）来缩短干燥时间的方法。强制气干的干燥质量较好，木材不易霉烂变色，还可以减少端裂（end check），干燥时间较自然气干可缩短 1/2～2/3，但干燥成本约增加 1/3。林业行业标准《锯材气干工艺规程》（LY/T 1069—2012）中对板院的技术条件、锯材堆积过程、气干过程的管理等内容有详细说明。
（二）木材人工干燥
木材人工干燥的方法种类很多，其特点是采用适当的干燥设备，干燥过程可人为控制，干燥周期比大气干燥短，干燥过程不受地区、季节与气候的影响，干燥的*终含水率可根据实际需要人为控制，以保证木材的干燥质量。
1. 木材常规干燥 木材常规干燥（usual drying）是以湿空气（moist air）为干燥介质，以蒸汽（vapor）、炉气（furnace gas）、热水（hot water）或热油（hot oil）为热媒，间接加热湿空气，湿空气以对流换热方式为主加热木材，干燥介质温度在100℃以下的干燥方法。常规干燥中又以蒸汽为热媒的干燥室居多，一般简称蒸汽干燥。以炉气为热媒的常规干燥，在我国南方非采暖地区的中小型木材厂中占有一定的比例，由于它能处理厂内的木废料，又能降低干燥成本，因此受到一些干燥量不太大的工厂的欢迎。土法建造的简易干燥室，在我国与其他一些发展中国家，以及对环境要求不高的地区仍有少量的应用。以热水为热媒的常规干燥，因热水锅炉的价格比蒸汽锅炉低得多，故在一些不需要高温干燥，且干燥量不大的工厂使用量有上升的趋势。以热油为热媒的常规干燥，目前在国内外的应用相对较少。
2. 木材高温干燥 木材高温干燥（high temperature dry
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