粗皮桉木材的干燥特性與干燥基準(zhǔn)制定

龍傳文

粗皮桉木材的干燥特性與干燥基準(zhǔn)制定

龍傳文

(中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

采用百度試驗(yàn)法，對(duì)預(yù)凍處理和未凍處理的粗皮桉人工林木材的干燥特性和干燥基準(zhǔn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：預(yù)凍處理可減少初期開裂、內(nèi)裂和截面變形的產(chǎn)生，干燥質(zhì)量比未凍處理材的干燥質(zhì)量好。

粗皮桉；干燥特性；干燥基準(zhǔn)；百度試驗(yàn)；預(yù)凍處理

桉樹是世界上極有價(jià)值的硬木資源之一，桉樹木材的某些產(chǎn)品以最重、最堅(jiān)硬和最耐久而著稱。桉樹材質(zhì)結(jié)構(gòu)細(xì)而勻、質(zhì)硬、強(qiáng)度高，花紋美觀，生長(zhǎng)迅速，木材產(chǎn)量高，是世界上公認(rèn)的速生材樹種。我國(guó)桉樹木材的種植生產(chǎn)，始于20世紀(jì)60年代初，隨著桉樹引種栽培的迅速發(fā)展，桉樹資源和木材工業(yè)的利用也不斷擴(kuò)大，桉樹木材已成為我國(guó)主要商品材種之一，主要用途有：紙漿、人造板原料、建材等行業(yè)[1]。桉樹材也可廣泛用于家具、地板、裝飾單板及耐久結(jié)構(gòu)材料等，但因桉樹生長(zhǎng)應(yīng)力大，滲透性差等原因，桉樹材干燥時(shí)其干燥特性是易產(chǎn)生開裂、變形等缺陷，因此，如何克服桉樹材干燥缺陷，是實(shí)施其實(shí)木加工利用，提高桉樹附加值的關(guān)鍵。由于桉樹木材干燥是桉樹實(shí)木加工利用的關(guān)鍵之一，是一項(xiàng)難度大的功關(guān)技術(shù)。我國(guó)從事桉樹加工利用技術(shù)的研究比較晚，到目前為止，尚無可以避免桉樹板材產(chǎn)生開裂、變形等缺陷的干燥基準(zhǔn)。為此，相關(guān)專家撰文指出；建議研究適于各種桉木不同規(guī)格板材的干燥基準(zhǔn)[2]。

粗皮桉Eucalyptus pellita作為桉樹種類的一種，木材呈紅色至深紅色，堅(jiān)固而耐久，在我國(guó)廣西東門林場(chǎng)于1989年建立了粗皮桉的家系試驗(yàn)，含9個(gè)種源，79個(gè)家系，最優(yōu)種源3年生平均材積為38.58 m3/hm2，最優(yōu)家系的平均高為9.52 m，為了更加合理地利用桉樹材，本課題對(duì)粗皮桉的干燥特性和干燥基準(zhǔn)作了研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

粗皮桉原木，采自廣西東門林場(chǎng)，陸運(yùn)到本校木材干燥實(shí)驗(yàn)室，實(shí)積堆放，用塑料膜覆蓋，其性能見表1。

表1 粗皮桉木材的基本特性Table 1 Basic characteristics of Eucalyptus pellita wood

按百度試驗(yàn)法要求制取試件[3]，四面刨光，加工成規(guī)格為200 mm×100 mm×20 mm的弦切板試件24塊，分成兩組，每組12塊，即預(yù)凍處理為A組12塊，未凍處理為B組12塊。

1.2 試驗(yàn)方法

將編號(hào)為A1～A12號(hào)試件進(jìn)行尺寸測(cè)量和稱重，觀察表面情況，然后放入冰箱內(nèi)，在-20℃條件下冰凍48 h后，從冰箱中取出，進(jìn)行測(cè)量和稱重，并觀察表面變化情況。

根據(jù)百度試驗(yàn)法的原理及要求，將編號(hào)為B1～B12號(hào)試件進(jìn)行測(cè)量和稱重，并觀察表面情況記錄后與預(yù)凍處理材的A1～A12號(hào)試件一起放入烘箱中，在（103±2）℃的條件下進(jìn)行干燥處理。干燥過程中定時(shí)取出試件觀察，稱重、記錄干燥全過程，主要觀察記錄3種干燥缺陷；初期開裂、內(nèi)裂和截面變形，初期開裂包括端裂、端表裂、表裂和貫通裂，對(duì)裂紋發(fā)展?fàn)顩r作好記錄。內(nèi)裂和截面變形是在干燥結(jié)束后，將試件從中間鋸開觀察獲得，另外，在干燥過程中對(duì)試件的瓦彎，翹曲等缺陷也作了觀測(cè)。

觀測(cè)時(shí)間間隔是：最初觀測(cè)時(shí)間是1 h(1～10 h)，以后延長(zhǎng)到2 h(10～22 h)，當(dāng)表裂開始愈合時(shí)，間隔時(shí)間延長(zhǎng)到4 h(22～46 h)，待測(cè)得兩次重量基本不變時(shí)，停止干燥，將干燥后的試件進(jìn)行測(cè)量稱重及觀察表面情況，并在鋸下含水率試片的新端面，測(cè)定內(nèi)裂及截面變形程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率與時(shí)間的關(guān)系

粗皮桉板材干燥過程中含水率測(cè)定值見表2，由表2 可知，A、B兩組含水率有相應(yīng)的波動(dòng)范圍，干燥時(shí)間在26 h之前，A組的含水率略高于B組的含水率，26 h之后B組的含水率略高于A組；粗皮桉試材由初含水率55%，干燥到最終含水率，共用時(shí)46 h，由于粗皮桉的內(nèi)應(yīng)力大，滲透性差，含水率不均勻，管間、導(dǎo)管和木纖維間的紋孔多具膜，干縮率大，在干燥時(shí)板材極易產(chǎn)生皺縮。通常在干燥初期木材含水率高時(shí)，在干燥溫度的作用下，自由水移動(dòng)速度快而產(chǎn)生的毛細(xì)管張力和干燥應(yīng)力使細(xì)胞皺縮而引起的不正常、不規(guī)則的收縮[4-6]，這種現(xiàn)象隨時(shí)間的增加含水率的降低而加劇，不僅使木材的收縮率增大，從而也導(dǎo)致了板材的開裂、變形和內(nèi)裂等缺陷的產(chǎn)生。眾多研究表眀冷凍處理對(duì)防止皺縮頗有成效，其原因是水結(jié)成冰時(shí)可以形成氣泡，這種氣泡能使細(xì)胞避免由于水分通過紋孔時(shí)而產(chǎn)生張力效應(yīng)，由于飽和水狀態(tài)下的木材內(nèi)部己幾乎沒有空隙，在此狀態(tài)下使木材中的水分受凍成冰而體枳膨脹使細(xì)胞腔擴(kuò)大，可使具緣紋孔的紋瞙破裂，水分傳導(dǎo)途徑暢通，使毛細(xì)管張力減小，從而改變了木材產(chǎn)生皺縮的必要條件。研究結(jié)果表明，預(yù)凍處理材的融冰過程起到了提高板材的可塑性、減少內(nèi)應(yīng)力，從而堤高了板材的干燥質(zhì)量。

表2 粗皮按木材的干燥時(shí)間與含水率Table 2 Drying time and moisture content of Eucalyptus pellita wood

2.2 干燥特性與缺陷等級(jí)

按百度試驗(yàn)法，試件連續(xù)干燥46 h，根據(jù)100 ℃干燥試驗(yàn)中干燥缺陷及干燥速度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在干燥過程中測(cè)試試件綜合得到的干燥特性及干燥缺陷等級(jí)見表3。

2.3 初期開裂

由于試件的初含水率較高，試件在干燥初期，木材表面水分蒸發(fā)較快，形成了表層和內(nèi)層高的含水率差，也就是當(dāng)試件表層含水率低于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，內(nèi)層含水率仍然很高，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的干燥應(yīng)力，使得表層的干縮受到內(nèi)層壓應(yīng)力的影響，當(dāng)這種應(yīng)力超過了木材的橫紋拉伸極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成木材的初期開裂，在試驗(yàn)過程中，初期開裂程度隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)及試件含水率的降低而加重。但當(dāng)干燥時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，含水率的降低，初期開裂速度發(fā)展減緩，隨著干燥的延續(xù)，試件內(nèi)層壓應(yīng)力逐漸減小，直至干燥結(jié)束，由表3可知初期開裂預(yù)凍處理材為2級(jí)，未凍處理材為3級(jí)。

表3 粗皮桉木材干燥特性及干燥缺陷等級(jí)Table 3 Drying characteristics and drying defect grades of Eucalyptus pellita wood

2.4 內(nèi) 裂

在干燥后期，由于試件內(nèi)層含水率低于纖維飽和點(diǎn)而開始收縮，表裂已逐步愈合，這就導(dǎo)致表層存在壓應(yīng)力，內(nèi)層存在張應(yīng)力，其結(jié)果使得內(nèi)層的干縮受到表層壓應(yīng)力的影響，當(dāng)內(nèi)層繼續(xù)干縮，就使得板材產(chǎn)生變形和內(nèi)部開裂。本試驗(yàn)整個(gè)干燥時(shí)間為46 h，也就是測(cè)得試件兩次重量基本不變時(shí)，停止干燥，鋸取含水率試片，測(cè)得的最終含水率為0.05%，在已烘干試樣鋸下含水率試片時(shí)的端面，檢查內(nèi)裂程度，由表3可知內(nèi)裂A組為3級(jí)，B組為4級(jí)。

2.5 截面變形

在干燥過程中由于表層和內(nèi)層存在的含水率梯度，以及表層產(chǎn)生硬化的影響，使得被干燥的試材產(chǎn)生截面變形，本試驗(yàn)截面變形的截面厚度差是A組平均值是1.95 mm為3級(jí)，B組平均值是3.03 mm為4級(jí)。

2.6 扭曲變形

扭曲變形也是桉樹木材干燥特性的主要評(píng)定指標(biāo)，產(chǎn)生扭曲變形的主要原因是邊心材收縮不均，即邊材的收縮大于心材的收縮使試材在干燥過程中產(chǎn)生了瓦彎、翹曲等缺陷，本試驗(yàn)測(cè)得的扭曲值是A組平均值是3.94 mm為3級(jí)，B組平均值是4.48 mm為3級(jí)。

分析粗皮桉干燥特性，預(yù)凍處理的粗皮桉板材干燥特性要比未凍處理材的干燥特性要好，分析影響原因：其一是，由冰融為水時(shí)，水中必然產(chǎn)生氣泡，此氣泡在一定期內(nèi)存留在細(xì)胞腔，木材內(nèi)自由水蒸發(fā)時(shí)，此氣泡可以緩解或消除水分蒸發(fā)張力對(duì)木材細(xì)胞的作用；其二是，融冰過程是從木材外部到內(nèi)部的過程，外部的冰融解后變?yōu)橐簯B(tài)水，這樣會(huì)導(dǎo)致水在冰面上膨脹，產(chǎn)生膨脹會(huì)對(duì)木材細(xì)胞產(chǎn)生壓應(yīng)力，使細(xì)胞更加僵硬，增加了細(xì)胞的強(qiáng)度，可減少板材的收縮和皺縮。

3 干燥基準(zhǔn)制定

根據(jù)表3干燥缺陷等級(jí)與干燥缺陷對(duì)應(yīng)的干燥條件及試驗(yàn)樹種的初期溫度，末期溫度和干濕球溫差的最低條件，參照國(guó)家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T1068—92《鋸材窯干工藝規(guī)程》得到粗皮桉的預(yù)凍處理材和未凍處理材的干燥基準(zhǔn)見表4。

研究確定出的16—1和18—1干燥基準(zhǔn)，是作為粗皮桉25 mm厚板材的基準(zhǔn)，在干燥窯中試驗(yàn)2～3次后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定出粗皮桉窯干生產(chǎn)的干燥基準(zhǔn)。

表4 預(yù)凍處理材和未凍處理材的干燥基準(zhǔn)制定Table 4 Establishment of drying schedules for frozen and unfrozen wood

4 結(jié) 論

百度試驗(yàn)結(jié)果表明，粗皮桉木材干燥特性等級(jí)分別是：預(yù)凍處理材初期開裂2級(jí)、內(nèi)部開裂3級(jí)、截面變形3級(jí)、扭曲變形3級(jí)，未凍處理材對(duì)應(yīng)等級(jí)依次為3級(jí)、4級(jí)、4級(jí)、3級(jí)。預(yù)凍處理可減少初期開裂、內(nèi)裂和截面變形的產(chǎn)生，干燥質(zhì)量比未凍處理材的干燥質(zhì)量好。

[1] 祁述雄．中國(guó)桉樹[M]. 北京: 中國(guó)林業(yè)出版社, 2002.

[2] 江澤慧,費(fèi)本華,王喜明,等. 桉樹木材干燥特性與工藝及其皺縮研究現(xiàn)狀[J]. 木材工業(yè), 2002, (4): 3-6.

[3] 何清慧．木材干燥基準(zhǔn)簡(jiǎn)易確定法-百度試驗(yàn)法[J]．木材工業(yè), 1998, (6): 39-41.

[4] 王喜明.木材的皺縮[J].木材工業(yè), 2000, (1): 29-31。

[5] WU Y Q, Hayashi K, Liu Y, et al. Relationships of anatomical characteristics versus shrinkage and collapse properties in plantation-grown Eucalypt wood from China[J]. Journal of Wood Science, 2006, 52(3): 1-5.

[6] WU Y Q, HAYASHI K, LIU Y, et al. Effects of heat-treatment patterns on the collapse-shrinkage characteristics in plantationgrown Eucalyptus timber[J]. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2008, 5(8): 1-4.

Drying characteristics and drying schedule establishment of Eucalyptus pellita wood

LONG Chuan-wen
(School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

By adopting the 100℃ drying test method, the drying characteristics and drying schedule of the pre-frozen and unfrozen Eucalyptus pellita wood were studied. The results show that the pre-freezing treatment reduced the initial crack, inner crack and cross section deformation of wood, and the drying quality for the frozen wood was superior to that for the control.

Eucalyptus pellita; drying characteristics; drying schedule; 100℃ drying test; pre-freezing treatment

S784

A

1673-923X(2012)01-0048-03

2011-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30671634)；國(guó)家教育部留學(xué)基金項(xiàng)目；中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目

龍傳文(1953—)，男，湖南攸縣人，副教授，主要從事木材科學(xué)與技術(shù)的研究；E-mail：lcw282@163.com

[本文編校：歐陽欽]