Влажность древесины, находящейся на открытом воздухе или в помещении, постепенно уменьшается. Сначала испаряется преимущественно свободная влага, находящаяся в полостях клеток, а затем связанная. Процесс высыхания древесины заключается в испарении влаги с поверхности и перемещении ее из внутренних, более влажных слоев к наружным. Испарение влаги с поверхности древесины происходит быстрее, чем продвижение ее изнутри к периферии; это обусловливает неравномерность распределения влажности. В тонких пиломатериалах эта неравномерность обычно невелика и быстро уменьшается, но в толстых сортиментах влажность выравнивается медленно и неравномерность ее распределения в начале высыхания может быть очень значительной. Изменение влажности древесины по толщине, ширине или длине сортимента называется градиентом влажности.
Механизм перемещения влаги в древесине в процессе ее высыхания различен при влажности выше и ниже предела гигроскопичности Wn.r. При влажности ниже предела гигроскопичности, когда в древесине есть только связанная влага, скорость ее передвижения пропорциональна градиенту влажности и коэффициенту влагопроводности. Влагопроводность определяет способность древесины проводить связанную влагу, а коэффициент влагопроводности характеризует интенсивность ее перемещения.
Коэффициент влагопроводности представляет собой величину, учитывающую одновременно передвижение влаги как в виде пара, так и в виде жидкости по двум системам водопроводящих путей в древесине: по системе макрокапилляров, заполненных воздухом (полости клеток, разделенные мембранами пор, межклеточные пространства), и по системе микрокапилляров в клеточных оболочках.
По макрокапиллярам влага перемещается в виде пара под действием градиента его парциального давления. Передвижение влаги по микрокапиллярам в клеточной оболочке носит более сложный характер и происходит как в виде пара, так и в виде жидкости; этот случай передвижения влаги в древесине называется диффузной проницаемостью.
При влажности выше предела гигроскопичности, когда в древесине есть не только связанная, но и свободная влага, градиент влажности не определяет скорости передвижения влаги. Если древесина содержит свободную влагу по всему объему сортимента, в ней возможно лишь передвижение свободной влаги в виде жидкости под действием внешних сил (например, разности гидростатического или избыточного давления). В этом случае передвижение свободной влаги будет определяться водопроводимостью (или капиллярной проницаемостью древесины).
В процессе высыхания влажность у поверхности сортимента довольно быстро снижается за предел гигроскопичности. При этом максимальный радиус заполненных влагой капилляров в оболочке клеток оказывается на поверхности меньше, чем внутри древесины, где вода еще заполняет макрокапилляры (полости клеток). В результате между поверхностным и смежным с ним внутренним слоями древесины возникает разность капиллярных давлений, которая заставляет свободную влагу передвигаться изнутри к поверхности, где она и испаряется. При дальнейшем течении процесса высыхания в древесине по толщине сортимента образуются три зоны: диффузная зона с влажностью ниже Wат; скорость передвижения связанной влаги в этой зоне определяется градиентом влажности; зона испарения свободной влаги; средняя влажность древесины здесь выше Wur и постепенно повышается по направлению к центру сортимента; действительная влажность в различных точках этой зоны может быть как выше, так и ниже предела гигроскопичности; капиллярная зона с примерно одинаковой по всей толщине влажностью выше Wur; перемещение свободной влаги происходит в этой зоне под влиянием разности капиллярных натяжений (рис. 33).
Толщина перечисленных зон может заметно изменяться в процессе высыхания в зависимости от начальной влажности древесины, ее влагопроводности и капиллярной проницаемости, однако механизм передвижения влаги и общий характер кривых 1—6 распределения влажности по зонам одинаковы для древесины всех пород. В любом случае интенсивность высыхания древесины лимитируется скоростью передвижения влаги в диффузной зоне, где это передвижение зависит от влагопроводности.
Основные факторы, определяющие коэффициент влагопроводности древесины, следующие: влажность древесины, температура, положение в стволе (заболонь или ядро и спелая древесина), плотность, направление (вдоль волокон и поперек волокон — радиальное или тангенциальное).
С повышением влажности коэффициент влагопроводности сначала увеличивается, достигает максимума при влажности 22— 24%, затем начинает снижаться (рис. 34). Такая закономерность в изменении коэффициента влагопроводности объясняется разным соотношением эффективности двух систем влагопроводящих путей в древесине при различной ее влажности.
С повышением температуры древесины коэффициент влагопроводности повышается. Это обусловлено тем, что при повышении температуры возрастает интенсивность передвижения как паров воды вследствие увеличения коэффициента диффузии пара, так и влаги вследствие уменьшения ее вязкости.
Зависимость коэффициента влагопроводности от породы определяется разницей плотности древесины разных пород: с повышением плотности коэффициент влагопроводности уменьшается, причем влагопроводность у заболони оказывается выше, чем у ядра и спелой древесины (при одинаковой плотности).
Рис. 33. Кривые распределения влаги по толщине сортимента в процессе высыхания: а — диффузная зона; б — зона испарения свободной влаги; в — капиллярная зона; Wпг — предел гигроскопичности; Wр — равновесная влажность.
Рис. 34. Зависимость коэффициента влагопроводности древесины от ее влажности (при t=50° С); две верхние кривые — для ядра сосны; две нижние кривые — для ядра дуба: 1 и 3 — в радиальном; 2, 4 — в тангенциальном направлении.
Объяснение этих явлений можно искать в следующем. При малой плотности основную роль в передвижении влаги по древесине, вероятно, играет система макрокапилляров, поэтому уменьшение плотности и соответствующее относительное увеличение объема полостей клеток, естественно, вызывают повышение коэффициента влагопроводности. В ядровой и спелой древесине проницаемость пор в оболочках клеток значительно меньше, чем в заболони (водопроводящие элементы в ядре и спелой древесине выключаются из действия); этим и определяется меньшая влагопроводность древесины. Таким образом, по характеру зависимости влагопроводности от плотности следует различать: а) древесину ядра и спелую древесину; б) древесину заболони и древесину заболонных пород.
Влагопроводность в радиальном направлении несколько больше, чем в тангенциальном; это объясняется влиянием сердцевинных лучей. У пород с широкими лучами это различие больше. Так, отношение коэффициентов влагопроводности в радиальном и тангенциальном направлениях у сосны равно 1,15, у дуба 1,5 и у бука 1,7. Коэффициент влагопроводности древесины вдоль волокон в 12—18 раз больше, чем поперек волокон в тангенциальном направлении; это объясняется тем, что вдоль волокон влага передвигается по тем же водопроводящим путям, по которым происходит передвижение ее в растущем дереве. Коэффициенты влагопроводности используются для расчетов продолжительности процессов высыхания при промышленных способах сушки: атмосферной, камерной и др.
При атмосферной сушке пиломатериалов в штабелях на открытом воздухе продолжительность сушки сравнительно велика. Время, необходимое для того, чтобы свежевыпиленные сосновые доски толщиной 35—50 мм в климатических условиях северной зоны достигли транспортной влажности следующее: при укладке досок для сушки в апреле—мае 43—51 суток, июне — июле 22—43 суток, августе—сентябре 43—51 суток. Тем не менее этот способ сушки широко используется, так как себестоимость его меньше, чем себестоимость камерной сушки.
При камерной сушке пиломатериалов в закрытых сушильных установках, оборудованных нагревательными устройствами, интенсивность процесса удаления влаги выше. В камерах пиломатериалы можно высушить до более низкой влажности значительно быстрее. Нормативная продолжительность сушки досок толщиной 50 мм от влажности 60% до 12% составляет 5 суток.
При атмосферной и камерной сушке, а также просто при выдержке древесины в комнатных или иных условиях удаление влаги из древесины прекращается только после того, когда влага равномерно распределится в древесине, а влажность древесины будет соответствовать температуре и относительной влажности окружающего воздуха; это состояние древесины называется равновесным, а влажность древесины — равновесной, или устойчивой. Древесина достигает равновесной влажности, когда упругость паров окружающего воздуха сравняется с упругостью паров воды у поверхности древесины.
Каждому сочетанию температуры t и относительной упругости пара в воздухе (относительной влажности воздуха) Ψ соответствует определенная влажность древесины Wp, которая практически не зависит от породы. Значения равновесной влажности размельченной древесины можно определить по диаграмме на рис. 35. При данной температуре и относительной упругости пара в воздухе равновесную влажность древесины можно найти следующим образом. Допустим, например, что t = 20°, а Ψ = 0,6; на пересечении двух соответствующих прямых находим точку, которая оказывается расположенной между двумя наклонными кривыми Wр=11% и Wp=l2%. Интерполируя, находим, что искомая равновесная влажность древесины составляет 11,2%.
Рис. 35. Диаграмма равновесной влажности.