木材干燥工艺

影响木材干燥速度之因子分析

前言

木材干燥时，其中所含水分（自由水，约束水，水蒸气）是利用不同的机构（me－chanism），经由不同的流通管道，自中心移至表面而蒸发。在移动过程中，水分可能随木材中的实际状况自某一形式转换为另一形式（图2．8．）。一般生材在常温下其约束水约占其全干重的30％，余者除极微量的水蒸气外，均为自由水。以大叶桃花心木（Swietenia macrophylla）为例，其原始含水率约60％左右：故可粗估一半为约束水，一半为自由水。若为台湾杉（Talwanla cryptomerioides），因其原始含水率高达150％以上，故其自由水亦增为约束水的4倍以上。约束水的含量永远是一常数（30％左右）。水分移动的速率完全受制于下列因素。

物理因素

温度、相对湿度、和空气循环等物理因素对木材水分移动的影响乃一深奥而复杂的学科，本文仅简要叙述其基本原理。

(1)温度

热(heat)是木材水分蒸发时必须获得运动能量（kinetic energy）的根源，同时水分蒸发的快慢全赖单位时间内热能的供应情形以及加热媒体（空气）吸收水分的能力而定。干燥是由木材表面逐渐向内层进行，假如温度一定，则蒸发率会随木材水分的减少以及空气中蒸气压力的增加而逐渐降低。所以，欲保持稳定的蒸发率，必须能使木材水分获得附加热能(additional energy)，或者降低干燥窑内的蒸气压力。此可藉提高温度（更多的热能）或降低相对湿度（较低的蒸气压力）以达成。故欲使温度在50℃（122下）时之蒸发率等于70℃（158oF）之蒸发率，则必须尽量降低相对湿度；藉增加干燥空气的水分亲和力（moisture affinity）来补偿热能的减少。但如此处理可能会形成剧烈的水分梯度，使木材发生干裂而招致“贬质”（degrade）。另一方面，提高温度可加速水分的移动，虽需维持较高的湿度以防干裂，但不致过份影响干燥速率。

谈到温度，有一事应牢记于心，即在干燥过程中窑内之干球温度必高于木材温度。当木材含有自由水时，其温度约等于湿球温度，而且只要有充足的水分移至木材表面，必会一直保持此一温度。一俟自由水的供应量减低，而木材之含水率接近纤维饱和点时，木材温度会开始上升向干球温度靠近。倘若木材之含水率达于零点（0％），其温度也可能达到干球温度。含有大量自由水之生材，每蒸发一克（gram）水需要580卡（calorie）的热量。含水率低于30％时，则需要较多的热量（详如图3．1．）。

(2)相对湿度与平衡含水率

所谓相对湿度（RH），是指在某一特定温度与压力下，单位体积空气中所含水蒸气的总量与在同一条件（温度、压力、体积不变）下空气呈饱和状态时所含水蒸气总量之比率而言。例如：在常压与60℃时每立方公尺（m）空气所含饱和水蒸气之总重量应为131克，而今仅含有72克，则其RH为72/131：或55％。提高空气温度即可提高其含蓄（保持）水分的能力：是故温度提高后必须在单位体积内增加水分，方能使其饱和或维持原有湿度，否则相对湿度必会降低。例如：将600C相对湿度100％之温度升高为70℃，由于空气含蓄水分之能力（moistureholding capacity）增加,其相对湿度则降为64％。

木材干燥时，是以干湿球湿度计（dryand wet－bulb psychrometer）来测定相对湿度。干湿球温度读数的差异谓之“湿球差”，与大气的相对湿度直接有关。湿布袋蒸发愈怏，湿球之温度愈低，湿球差亦愈大，相对湿度也就愈低。（详请参阅2．7）。

窑内之相对湿度并不能直接显示其干燥能力（aryins capacity），所以干燥基准表（drying schedule）均以干球温度和湿球温度（或平衡含水率）二者，或干球温度、湿球温度、以及平衡含水率（EMC）三者来表示（组合）之。例如，干燥某种木材，开始时，所用之干球温度为60℃（140下）湿球差度为50C（90F），则其平衡含水率为13％。温度愈高，平衡含水率愈低则干燥愈快。根据此一观念，即可巧妙操纵窑内条件，以控制干燥速度。在干燥过程中

由干球温度与相对湿度所形成之平衡含水率仅与被干木材的直接表面有关；但其也可作为窑内干燥条件以及木材水分梯度激烈程度的指针。

(3)空气循环

窑干时，需要持续不断的空气循环以便将热量传送到被干木材，同时将木材所蒸发的水分带离村面。为提高干燥效率，此循环气流在通过材堆之前必须不断地予以“调整”，使其温度与湿度有利于水分移动。再者，此循环气流的运动速度亦必须够快，傅使木材表面水分能有效地蒸发。当干而热的气流通过材堆之后，自会变得较凉而潮湿。如果风速不够强，则材堆（pile，load，lumber stack）中间的干燥条件必会偏离控制室（仪表）内所设定标准，降低了干燥速度，高风速同时也可以减少窑内的循环死角（dead spots）促进均匀干燥。

木材干燥时，其表面之水分并未直接进入主要的人工气流（air stream）。在此人工气流（即循环气流）与木材之间尚存有一层运动缓慢并呈饱和状态的薄膜称作“境界层” （boundar layer）。此境界层之蒸气压力比人工气流高出甚多甚多，对木材水分蒸发具有极大影响。所以，为维持所期望的干燥速度，尽快将境界层内的水分移走至为重要；此可籍控制人工气流的循环速度以达成。

急速的循环气流可减少境界层之影响，因此在干燥初期当材面甚湿需要蒸发和移除时，采用高速循环气流比较有利。当木材含水率接近纤维饱和点时，水分的扩散作用成为干燥速率的限制因子（limiting factor）。由于水分扩散至材面速度较慢，境界层之蒸气压力变低，故无需藉高速循环气流来移除较少量的蒸发水分。换言之，当木材含水率降低接近纤维饱和点时，风速对蒸发率之影响亦减弱；最好降低风速（循环气流）以节省能源。为达此一目的，循环系统可使用变速马达，干燥初期采用高速，中期以后采用低速。

近年来一般干燥工厂多偏爱高速循环气流，故而增加风扇直径和马达转速，以及加宽材堆与窑壁间的信道。但应了解，电力消耗与风速之立方成正比。

风速对热移转（heat transfer）的速率亦稍具影响，唯当木材之含水率低于FSP时其影响力更为减弱。热移转速率主要是受温差（人工气流与木材表面问）影响，而蒸发率又对温差具某种程度的影响。假如风速不变，则自人工气流到木材表面的热移转速率大概与温差成正比。在初期，木材很湿（含水率甚高），木材表面与人工气流之温差与湿球差相等。此时大量热传至木材表面用以蒸发自由水，热移转速率达到最高峰。稍后，每块木材的内层亦逐渐到达FSP，木材温度渐与人工气流相等，而热移转速率亦随之降低。继续干燥，当含水率低于FSP时，热移转速率更进一步降低以致影响到干燥速度，此时必须提高温度才能保持适当的干燥速度；风速对干燥速度极少作用。此即在干燥末期需要提高温度降低风速的原因。

本材因素

木材不同干燥性质亦异。影响干燥速度的重要因素有树种、厚度、边材与心材，以及平锯板与象锯板，兹简要说明如下：

(1)树种

许多树种彼此间的物理性质具有极大差异，影响木材干燥速度的物理性质有比重和水分扩散。比重愈大干燥愈慢。因为比重大的木材，其细胞壁较厚，所含的约东水亦较多：约束水移动困难故干燥较慢。水分扩散困难的木材，水分蒸发必慢，干燥速度亦必较慢。一般言之，针叶木材之干燥速度较阔叶木材为怏。

(2)厚度

木材干燥时，水分是从所有表面（正面、侧面与端面）蒸发，但主要是靠正面，即木板的上下两面。厚度愈大，自心层至上下板面之距离亦愈大；水分移动的距离也就愈远，故干燥速度较慢。一般言之，干燥时间约与厚度的平方成正比。

(3)心材与边材

边材比；已材干燥快速。因为；已材中含有树脂、丹宁、油分、和其它抽出物阻碍水分的移动。有些阔叶木材如美国的白橡木（White oak）和黑槐木（Blac locust）在心材的管孔（pores）中含有许多填充体和其它阻塞物，对水分之移动亦有防碍。是故心材之干燥速度较边材为慢。