木材内部自由水分の蒸発理論と炭素繊維電熱管を用いた木材乾燥に関する研究

水と物質の結合の仕方によって、乾燥科学は物質を3つのカテゴリーに分類する。第一のカテゴリーは毛細管多孔質体で、コークス、木炭、土、砂利など、水分が変化しても寸法の変化は最小限か全くない。第二のカテゴリーはコロイドで、ゼラチンのように水分によって大きさと体積の両方が変化する。3つ目のカテゴリーは、毛細管多孔質コロイドで、より一般的なもので、前のカテゴリー両方の特徴を示している。木材、皮革、穀物、食品、薬草など、私たちが日常的に目にするものの多くはこのカテゴリーに属する。

リグナン材を乾燥させるとシワができやすい。1950年代後半、研究者たちはこれを乾燥ストレスによるものと考えていた。乾燥の初期段階では、表面の収縮が内部の収縮よりも大きく、その結果、木材内部にストレスがかかり、最終製品にシワが生じるのである。しかし、さらなる研究の結果、シワは巨視的な乾燥応力によるものではなく、むしろ微視的な毛細管張力によるものであることが判明した。しわは、毛細管張力が横方向の圧縮強度を超えたときに発生する。例えば、ある樹種のグリーン状態（湿潤状態）の圧縮強度の限界は3.59MPaである。気孔半径が0.04μm未満の場合、しわが発生する可能性がある。したがって、乾燥中に大きな毛管水が排出され、木材内部に毛管張力が突然現れることを理解することが最も重要である。

木材内部の自由水分の蒸発モデルについては、かなり面倒なのでここでは触れない。その代わりに、木材乾燥中のしわのメカニズムについて説明しよう。木材内部の自由水分が蒸発する際、乾燥の初期段階では低温で行う必要がある。乾燥窯に入れる前に、ある程度自然乾燥させるのはそのためです。濡れた木材を直接乾燥炉に入れると、割れや変形の原因になり、ロスが出るからだ。割れや変形の原因は、高温になると太い毛細血管からの排水が速くなり、木材繊維内部の急激な毛細血管張力が横方向の圧縮強度を上回り、目に見える変形や割れが生じるためです。

毛細管張力が木材のシワを引き起こすという理論によれば、木材内部の水分を表面張力の低い液体に置き換えることで、乾燥中の木材のシワを減らすことができるのだろうか？研究者たちは、木材内部の水分を表面張力の低いメタノールやエタノールに置き換えることを試みた。しかし、この方法は日々の生産には経済的に非現実的である。とはいえ、この研究結果は、木材のしわが実際に木材内部の毛細管張力によって引き起こされることを確認するものであり、その後の研究努力に理論的根拠を与えるものである。

実験的検証の結果、木材内部での水分の移動は次のようなパターンであることが判明した：

1. 木材表面の自由水と細胞内の水分は完全に蒸発する。
2. 細胞内の遊離水は毛細血管に沿って表面に向かって移動する。
3. 表面に付着した水分、すなわち細孔内の水分も蒸発し、表面の水分は繊維飽和点以下に減少する。
4. 木材内部の水分は、表面よりも内層の方が高く、内部から外部に向かって含水率の勾配が生じる。
5. 含水率勾配により、木材内部の水分は含水率の高い部分から低い部分へと移動する。

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