樹木成材后需經(jīng)采伐、制材、干燥保護(hù)和改性等功能性改良加工后，才能應(yīng)用到后續(xù)的木制產(chǎn)品深加工上。

木材常規(guī)干燥是目前工業(yè)上最常用的干燥方法，但是對于某些特殊用途、特殊樹種的木材，選用一些預(yù)處理及特種干燥方法更加適合。

這樣既能保證木材的干燥質(zhì)量，又能夠縮短干燥周期，例如高頻真空干燥、二氧化碳干燥以及木材冷凍干燥。其中，冷凍預(yù)處理及冷凍干燥在木材加工和干燥中已有應(yīng)用。

01 冷凍干燥是什么

冷凍技術(shù)主要是運(yùn)用制冷系統(tǒng)或者在大氣低溫環(huán)境下將制品中的水分進(jìn)行凍結(jié)，在不同的工業(yè)領(lǐng)域中所需冷凍溫度有所不同。

其最終目的是使制品細(xì)胞中的自由水以及少量結(jié)合水凍結(jié)成冰晶，依靠自身或者施加的外部力量將水分升華，可成功運(yùn)用在干燥領(lǐng)域中，保存甚至提升制品的優(yōu)良品質(zhì)。

冷凍技術(shù)主要運(yùn)用在食品工業(yè)、制藥工業(yè)以及生物科技領(lǐng)域，在木材工業(yè)中應(yīng)用較少。在食品工業(yè)中，可以通過冷凍干燥保持食品或蔬菜的顏色、香味、即時特性和營養(yǎng)價值。

冷凍技術(shù)在木材工業(yè)中主要應(yīng)用于考古木質(zhì)文物干燥及易皺縮木材的干燥。冷凍干燥在操作過程中需要對木材進(jìn)行預(yù)凍處理，預(yù)凍過程中的木材細(xì)胞腔內(nèi)的水凍結(jié)成冰，體積膨脹，會破壞紋孔膜等微觀結(jié)構(gòu)，能改善木材的滲透性。

此外，冷凍過程中木材內(nèi)部的冰直接升華為水蒸氣，不產(chǎn)生液體毛細(xì)管張力，能夠有效減少木材的皺縮、塌陷及降解，并且改善木材特性。

02 木材冷凍的預(yù)處理實踐

一些研究表明，木材預(yù)凍能夠減小干縮、皺縮，且能提高干燥速率，但其力學(xué)性能和加工工藝性能幾乎不變。

預(yù)凍能夠減小木材收縮的主要原因是細(xì)胞壁內(nèi)的水遷移并變成細(xì)胞腔內(nèi)的冰凍水，水分從細(xì)胞壁流失產(chǎn)生“冷收縮”；

此外，細(xì)胞腔內(nèi)自由水的凍結(jié)產(chǎn)生膨脹，進(jìn)而對細(xì)胞壁產(chǎn)生壓應(yīng)力，伴隨著水分的減少細(xì)胞壁變得更脆，進(jìn)而導(dǎo)致木材收縮減小。

因為預(yù)凍能夠減小干縮及皺縮，且能夠提高干燥速率，所以預(yù)凍處理可以應(yīng)用在木材改性方面。

木材需經(jīng)過良好的干燥后才能用在家具、地板及木建筑中，這樣能夠有效地減少制成品中木材的變形、開裂、腐朽及蟲蛀等問題。

當(dāng)前，木材干燥生產(chǎn)中常規(guī)窯干因其干燥質(zhì)量好、綜合優(yōu)勢明顯，依然是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的干燥方法。但是，某些特種干燥能夠彌補(bǔ)常規(guī)干燥的缺陷和不足，尤其是冷凍干燥，在低溫的條件下使木材中的水分升華，能夠有效保持木材原有結(jié)構(gòu)和顏色。

冷凍干燥在木材干燥中的應(yīng)用分為兩類：1）原木在達(dá)到飽和含水率時在低溫下進(jìn)行冷凍預(yù)處理，然后結(jié)合其他方法進(jìn)行干燥，如常規(guī)干燥、微波干燥等。2）預(yù)凍處理后的木材直接進(jìn)行真空冷凍干燥，在相對壓力較高的真空下使凍結(jié)水升華，達(dá)到干燥木材目的。

03 木材冷凍干燥的原理

冷凍干燥過程主要涉及水的3種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變、細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)物質(zhì)的改變、水分流動通道的增多。目前的研究主要集中在冷凍干燥減少木材皺縮的機(jī)理上。木材細(xì)胞皺縮通常有兩個條件：1）干燥過程自由水遷移產(chǎn)生的毛細(xì)管張力；2）木材細(xì)胞氣密性好且紋孔直徑足夠小。

冷凍干燥過程需將溫度控制在低于水的三相點以下，干燥過程水蒸氣從木制品中升華出去，水分沒有由冰轉(zhuǎn)換為水，不經(jīng)歷水的液相，避免形成氣-液界面，從而使毛細(xì)管力得到消除。

因此，冷凍干燥能夠消除木材細(xì)胞皺縮的第一個條件，進(jìn)而抑制細(xì)胞皺縮。其次，木材冷凍干燥前需要對木材進(jìn)行預(yù)凍，預(yù)凍過程中木材細(xì)胞腔內(nèi)的自由水因結(jié)冰而膨脹，體積變大，破壞了紋孔膜及木材的薄壁細(xì)胞組織，進(jìn)而改善了木材細(xì)胞的氣密性，即改善了木材的滲透性。

冷凍干燥在木材上的應(yīng)用還有很長的路要走，為了促進(jìn)冷凍干燥技術(shù)在木材干燥領(lǐng)域的應(yīng)用落地，未來可聚焦在以下方面：預(yù)凍及干燥過程熱質(zhì)傳遞機(jī)理；冷凍干燥工藝，尤其是聯(lián)合干燥工藝；開發(fā)出適合于木材的冷凍干燥設(shè)備