在干燥过程中木材内部的干燥应力是造成各种干燥缺陷(如开裂、翘曲等)及干燥锯材加工中产生变形的主要原因。对木材干燥过程干燥应力及变形的发展变化趋势的研究有助于深入理解各种干燥缺陷及加工变形的产生机理，从而为制定干燥工艺、优化干燥基准提供科学的依据。

近40多年来国内外学者对木材干燥应力与应变做了许多研究(Mcmillen，1955a; 1955b；周宝华，1982；李维桔, 1983a；1983b；Ugolev，1992；郭焰明，1995)，研究范围主要限于木材弹性与塑性应变，通过测定的弹性应变间接地确定木材干燥应力的发展变化规律及应力极值。木材干燥过程是一个非稳态的热湿传递过程，实体木材在干燥应力的持续作用下沿厚度方向发生复杂的不均匀收缩现象，对其进行深入探讨涉及到高分子材料的粘弹性理论与流变学特性，这样近10多年来国内外学者开始将流变学理论引入到木材干燥应力及变形的研究中。Chen(1997a; 1997b)建立了辐射松(Pinus radiata)高温干燥条件下的一维水分移动与应变发展的干燥数学模型，在模型中主要考虑了自由收缩应变、温度变化造成的应变、瞬时弹性应变、机械吸附应变、蠕变应变，该模型可用于描述实际干燥中发现的重要现象，如表面硬化、应力转换，研究高温干燥条件下干燥应力与开裂发展。Li等(1999)采用切片法测定了30 mm厚杨木表层的收缩应变、弹性应变、粘弹性应变、机械吸附应变在干燥过程的变化情况，探讨了温度因子对变形的影响，指出机械吸附应变是造成干燥表面硬化的主要原因。Pang(2000)建立了辐射松干燥的一维应力数学模型，该模型包括木材收缩应变、与应力相关的应变、机械吸附应变、蠕变应变、与温度相关的应变5个变形成分，可预测辐射松边材高温干燥过程应力发展和热湿处理过程应力释放，预测结果与试验测定值吻合较好，指出干燥应力数学模型的建立和干燥过程应力分析中需要相关木材性质的试验数据。Hanhijärvi(1998；1999；2000a; 2000b)在实验室内模拟实际干燥条件，采用小试件定量测定了与高温干燥相关的欧洲云杉(Picea abies)、欧洲赤松(Pinus sylvestris)的变形特性(干缩、湿热变形、弹性模量、粘弹性应变、机械吸附应变)，基于试验获得的最新知识建立了包括湿变形、湿热变形、弹性应变、粘弹性应变及机械吸附应变的干燥数学模型，可通过计算机模拟技术用于干燥应力计算，这些知识是理解木材高温干燥过程变形现象与应力发展的基础。

目前国内外对木材干燥过程流变特性的研究仍处于初步阶段，主要采用小型试件通过较硬的干燥基准来研究、测定流变学特性。在本研究中，使用与实际干燥生产较接近的试验用干燥机，采用研制的自动控制仪专用干燥基准，定性测定干燥过程及各个热湿处理阶段的木材流变特性参数，力求使本研究能与生产实践相联系，为今后的木材干燥生产提供理论依据。

1 基本理论

可以认为，在木材干燥过程中全部应变由4部分组成(Li et al., 1999)，即弹性应变ε_e、收缩应变ε_s、粘弹性应变ε_c、机械吸附应变ε_m。

1.1 弹性应变ε_e

实体木材各层间存在相互牵制，材料的连续性使层之间不能自由收缩(否则发生开裂)，于是在各层间产生内应力，若将木材横纹静曲弹性模量E看作木材含水率X与温度T的单值函数，则在弹性范围内木材干燥应力δ与弹性应变ε_e间存在如下关系：

(1)

1.2 收缩应变ε_s

收缩应变是不同干燥介质条件下木材内水分减少所引起的收缩变形，是木材的固有属性，在纤维饱和点(FSP)以下，随含水率的减少木材发生收缩变形，在正常条件下木材弦向变形最大，纤维方向最小。

1.3 粘弹性应变ε_c

粘弹性应变是在一定含水率下由应力导致的随时间发展的变形，在消除应力或反向应力作用下，通过延时可逆恢复。

1.4 机械吸附应变ε_m

机械吸附应变是木材干燥过程中变形的重要组成部分，它是木材在内应力作用下由于水分迁移与温度变化而明显增加的蠕变变形。在木材干燥过程中，机械吸附应变可释放木材内部由于干缩不均而造成的层间牵制，是制定热湿处理工艺的重要依据。

1.5 总应变ε

以上变形的总和即为总应变。木材是一种生物性天然高分子材料，主要由纤维素、半纤维素、木质素构成，在干燥过程测试的3种变形可由图 1所示的6组件流变模型近似描述，其中瞬时弹性变形主要是由于木材内部纤维素结晶区的微纤丝构架引起的，可用E₁模拟；粘弹性应变ε_c可用E₂和η₂并联起来的部分来模拟，这部分变形是木材细胞壁纤维素与半纤维素链伸展引起的；机械吸附应变ε_m可由E₃和η₃并联后再与η₄串联所组成的部分来模拟，这部分变形的成分较复杂，它包含了木材生物高分子滑移与键位重组所引起的粘性变形的一部分。

流变模型的本构方程为：

(2)

经整理与简化后得以下方程：

(3)

式中t为干燥延续时间，a~g为待定系数。

2 材料与方法

使用白桦(Betula platyphylla)锯材作干燥试材，产地为小兴安岭，湿材，水池浸泡，初含水率60%~70%，规格为1 800 mm×100 mm×50 mm(长×宽×厚)，弦切板，四面刨光，端部密封处理。

在干燥过程中，木材的各种蠕变变形与应力发展变化间存在密切关系，目前粘弹性变形与机械吸附变形的测试方法还较少，从定性分析角度讲，运用聚合物弹性变形与粘弹性变形理论可较容易理解干燥过程木材蠕变的发展过程(王逢瑚，1997)，同时影响木材干燥质量的干燥应力主要为横向应力，这样本试验将主要研究木材横纹一维弦向干燥变形特性(弹性应变、粘弹性应变、机械吸附应变)。研究中采用切片法，通过5 mm厚白桦切片(图 2)的变形特性来分析这些变形在一个干燥周期内的发展变化。

考虑到试验条件与测试手段的限制，测定了弹性应变、粘弹性应变、机械吸附应变，并把机械吸附应变分为机械吸附应变(前期，包含粘弹性应变成分)ε_c、机械吸附应变(中后期)ε_m。各变形成分在木材切片的分布见图 3。

(4)

(5)

(6)

图 3中，L₀为初始长度(湿材的宽度)；L₁为劈开前长度(在含水率为MC时试材宽度)；L₂为劈开后长度(切片实时长度)；L₃为延时长度(切片放置24 h的长度)；L₄为平衡长度(切片放置10 d后的长度，环境温度25℃，相对湿度55%~65%)。

在试验中定期取出试材，制作含水率试片、分层含水率试片及分层变形试片，厚度均为15 mm，试材端部密封处理后立即放回干燥机内，干燥机内循环风速为1~1.5 m·s^-1，考虑到实际应用，采用的干燥基准为自动控制仪专用基准，见表 1。

3 结果与讨论 3.1 干燥速度

由图 4知，在一个干燥周期内木材经历了前期近似线性等速干燥、中后期非线性减速干燥，两个干燥阶段间的过渡区比较平稳，说明干燥自动控制仪能够较好地执行设定的干燥基准，达到了干燥工艺规程的要求。干燥介质平衡含水率(EMC)变化曲线与干燥梯度(G)曲线的变化趋势相反，由EMC变化曲线可清楚地观察到各个热湿处理阶段。对干燥后的试材进行检测，综合各项质量评定指标，干燥质量达到国家标准2级干燥锯材以上。

3.2 弹性应变ε_e

国内外学者对干燥过程木材表、芯层干燥应力与应变的发展趋势已达成共识，即干燥初期的表层受拉内层受压、中期应力方向转换、后期的表层受压内层受拉，研究重点主要集中在应力方向转变过程与应力极值问题。在本研究中也发现类似的变化规律，如图 5。

弹性应变ε_e是在内应力作用下瞬时产生的，由此可推测干燥应力的发展与变化，它是木材干燥过程中唯一可较准确测定的变形。由图 5知，表层弹性应变在干燥前期即达到峰值，随着芯层压缩弹性应变增加，表层拉伸弹性应变不断减小，在芯层压缩弹性应变达到峰值后，两者都开始减小并逐步向相反方向发展，并在中后期完成应力方向转化，随着后期热湿处理的进行从反向峰值逐步减小。

3.3 机械吸附应变(前期)ε_c

本部分应变主要由部分机械吸附应变和粘弹性应变组成，粘弹性应变是一种与时间相关且可以恢复的变形，随时间呈非线性发展，因而在木材干燥过程中测定粘弹性应变存在许多困难；同时考虑到木材在干燥过程中热湿传递机理及其耦合作用的复杂性，如何将粘弹性应变与机械吸附应变细致区分也有必要进行深入的探讨研究。图 6给出了在试验中测得的该部分变形的发展变化情况。

由图 6知，木材表、芯层应变均在75~85 h间达到峰值，且均为拉应变，这与在干燥前期木材芯层受压缩应力的事实不符。笔者认为出现这种现象的原因在于，在干燥过程前期与中期，采用切片法测得的木材各层机械吸附应变ε_c中存在一部分粘弹性应变成分，正是由于表层机械吸附应变导致了表面硬化现象及在干燥后期木材芯层拉伸应力增大。随着干燥过程的进行，木材表、芯层应变逐步减小，并先后在干燥后期改变方向(中心层除外)。

3.4 机械吸附应变(中后期)ε_m

由于试验手段的限制，同时考虑到在实际干燥过程中粘弹性应变与机械吸附应变不易区分测定，因而在本试验中将机械吸附应变分两部分测定，此处给出的应变为机械吸附应变(中后期)ε_m，它主要是由于干燥过程木材内部温度场变化与水分传导而导致的机械吸附效应而造成的，测试条件为木材切片在室温条件(温度25℃，相对湿度55%~65%)下放置10 d后检测试片尺寸变化。

由图 7知，木材表、芯层机械吸附应变在干燥过程中基本呈现相同的变化趋势，随干燥的进行拉伸应变逐步减小，其中表层在干燥前期达到的峰值是造成表层表面硬化并进而导致干燥后期芯层拉应力增加的主要原因。由图 6、7知，由于在干燥中期与后期进行了热湿处理，导致木材机械吸附应变沿厚度方向随着热湿处理过程的延续有所增长，验证了机械吸附效应是木材干燥内应力释放的主要因子。

4 结论与展望

使用切片法定性地测试、分析了白桦木材在常规干燥过程中的弹性应变、粘弹性应变、机械吸附应变。与木材的粘弹性应变相比，弹性应变ε_e的数值较小，表层弹性应变在干燥中期与后期达到的极值区可认为是应进行热湿处理的参考点，在干燥过程中木材表、芯层的弹性应变始终是反向的，而且是瞬时的，与力的作用时间无关；粘弹性应变与机械吸附应变不易区分，测试的机械吸附应变ε_c中包含了粘弹性应变，因而它在一定程度上反映了机械吸附应变发展变化规律；在干燥中期与后期对白桦进行热湿处理时，木材各层的机械吸附应变均呈现增大趋势，机械吸附应变是导致干燥过程木材干燥应力释放的一个主要原因。

实体木材干燥过程中厚度方向存在较大含水率梯度，故木材表、芯层的粘弹性应变测试条件不同，如何准确界定粘弹性应变与机械吸附应变将是今后的研究目标之一。