樹木成材后需經采伐、制材、干燥保護和改性等功能性改良加工后，才能應用到后續的木制產品深加工上。

木材常規干燥是目前工業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，冷凍預處理及冷凍干燥在木材加工和干燥中已有應用。

01 冷凍干燥是什么

冷凍技術主要是運用制冷系統或者在大氣低溫環境下將制品中的水分進行凍結，在不同的工業領域中所需冷凍溫度有所不同。

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

冷凍技術主要運用在食品工業、制藥工業以及生物科技領域，在木材工業中應用較少。在食品工業中，可以通過冷凍干燥保持食品或蔬菜的顏色、香味、即時特性和營養價值。

冷凍技術在木材工業中主要應用于考古木質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行預凍處理，預凍過程中的木材細胞腔內的水凍結成冰，體積膨脹，會破壞紋孔膜等微觀結構，能改善木材的滲透性。

此外，冷凍過程中木材內部的冰直接升華為水蒸氣，不產生液體毛細管張力，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 木材冷凍的預處理實踐

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

預凍能夠減小木材收縮的主要原因是細胞壁內的水遷移并變成細胞腔內的冰凍水，水分從細胞壁流失產生“冷收縮”；

此外，細胞腔內自由水的凍結產生膨脹，進而對細胞壁產生壓應力，伴隨著水分的減少細胞壁變得更脆，進而導致木材收縮減小。

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

木材需經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。

當前，木材干燥生產中常規窯干因其干燥質量好、綜合優勢明顯，依然是當前應用最廣泛的干燥方法。但是，某些特種干燥能夠彌補常規干燥的缺陷和不足，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構和顏色。

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

03 木材冷凍干燥的原理

冷凍干燥過程主要涉及水的3種狀態的轉變、細胞內部結構物質的改變、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理上。木材細胞皺縮通常有兩個條件：1）干燥過程自由水遷移產生的毛細管張力；2）木材細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，水分沒有由冰轉換為水，不經歷水的液相，避免形成氣-液界面，從而使毛細管力得到消除。

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

冷凍干燥在木材上的應用還有很長的路要走，為了促進冷凍干燥技術在木材干燥領域的應用落地，未來可聚焦在以下方面：預凍及干燥過程熱質傳遞機理；冷凍干燥工藝，尤其是聯合干燥工藝；開發出適合于木材的冷凍干燥設備