柞木單板高頻真空干燥工藝1)

孔繁旭　宋濤雲　柴豪杰　蔡英春

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

我國近年來，隨著國民經濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，木地板的需求量快速增長。在眾多木地板產品中，三層實木復合地板具有結構科學、美觀、尺寸穩(wěn)定、表面硬度高和市場前景廣闊等優(yōu)異特性；此外，木材綜合利用率高，尤其節(jié)約了大量優(yōu)質木材，有利于森林資源的高效利用。表板、芯板和背板作為三層實木復合地板的基本構成，其含水率差異必須保證小于2%，以使熱壓膠合后的地板不彎曲變形，具有良好的尺寸穩(wěn)定性。其中，表板干燥質量更為重中之重[1-2]。柞木(Quercusmongolica)材質堅硬、紋理直且美觀、強度高、加工性能優(yōu)異，是制作家具、室內裝飾、地板建材使用的優(yōu)良木材[3-5]，目前企業(yè)大都以柞木為表板。表板干燥的常用方式為，(熱空氣)噴氣(加熱)式輥筒與網帶(傳送)干燥(簡稱滾筒式干燥、網帶式干燥)，常規(guī)干燥。輥筒式干燥平整度等質量較高，但效率低；網帶式、常規(guī)干燥雖較前者效率有較大提高，但平整度等質量低。近年來相關企業(yè)嘗試采用熱板加熱真空干燥、高頻真空干燥，使得干燥質量和速度明顯提高。前者，熱板間板材張數(shù)(厚度)受限、裝材困難；后者則克服了前者的缺點，更具推廣前景。

高頻真空干燥技術是以高頻對木材內部加熱與真空負壓相結合的高效干燥技術。負壓條件下，水分可在低于100 ℃的條件下沸騰汽化，形成較大的水蒸汽壓力梯度，促使水分向外遷移，適用于滲透性好的難干材干燥[6]。由于負壓條件下對流傳熱效率降低，JUNG H S以14 cm×14 cm×240 cm的新西蘭輻射松為研究對象，分別探討了其不同加熱方式下(熱板加熱、高頻加熱、熱板與高頻聯(lián)合加熱)的真空干燥特性，結果顯示熱板與高頻聯(lián)合加熱方式更優(yōu)[7]。高頻加熱主要優(yōu)勢為木材進行整體介電加熱，避免了對流加熱由木材表面向內部傳導熱量困難的劣勢，因而在適宜的干燥條件下，干燥后的木材可以獲得較均勻的含水率分布，減少了由于含水率梯度造成的木材內部應力[6,8-9]。因此，高頻真空干燥技術在相關企業(yè)木地板表板干燥生產上的應用具有增大趨勢。然而，由于沒有成熟的干燥工藝，不能完全發(fā)揮該技術的優(yōu)勢，使得干燥后的單板有翹曲、開裂等缺陷，質量難以滿足后續(xù)加工的要求。

本研究以5 mm柞木表板(單板或薄木)為研究對象，對其實施不同工藝(高頻發(fā)振與停歇時間、木材控制溫度、環(huán)境壓力)下的高頻真空干燥，測算其溫度分布、干燥速度、干燥周期、終含水率及其標準偏差、脫水比、開裂和翹曲度等參數(shù)。通過對這些參數(shù)的對比分析，確定其較適宜的高頻真空干燥工藝，為企業(yè)合理運用高頻真空干燥技術快速高品質干燥木地板表板提供技術支持。

1　材料與方法

1.1　材料與儀器設備

實驗所用柞木單板由從俄羅斯進口大斷面木方經臥式多片帶鋸加工制成，尺寸約為200 mm×5 mm×1 000 mm。主要儀器設備：高頻真空干燥裝置、光導纖維溫度檢測系統(tǒng)、DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱、電子天平LT210/0.01g、電子臺秤YP15KN/1g。

1.2　方法

1.2.1干燥工藝

本研究共進行6組高頻真空干燥實驗，干燥工藝如表1所示。實驗過程中，由Pt100檢測圖1所示材堆5.2.3處的溫度作為木材控制溫度(Tc)。高頻發(fā)振與停歇由時間與溫度雙重控制，且前者優(yōu)先。時間控制即按表1所列發(fā)振/停歇時間比例來控制高頻發(fā)振與停止時間；溫度控制即當材堆5.2.3處的溫度達到表1所列規(guī)定值時，高頻停止，低于下限值(本實驗設定其比Tc低1 ℃)時高頻在時間控制為發(fā)振的時間段內重新發(fā)振。高頻發(fā)生器發(fā)振頻率27.12 MHz，輸出有效功率1 kW，電極板長1 000 mm、寬400 mm，由電極板長度方向的中央供電。

表1　6組實驗高頻真空干燥工藝

注：停歇時間均為1 min;Pa為木材環(huán)境壓力；Tsa為木材環(huán)境壓力下水蒸汽的飽和溫度；Tc為木材控制溫度；Psc為木材控制溫度下的水蒸汽的飽和壓力；ΔP為木材控制溫度下的水蒸汽飽和壓力與環(huán)境壓力之差；隔熱板：在電極板與材堆間設置含水率約9%的已干單板，以減小材堆經電極板向罐體的導熱損失。

實驗3：1.3.3，2.3.3，5.3.3；實驗4：2.3.1，3.3.2，4.3.3；實驗6：2.1.3，2.2.3，2.3.3。

1.2.2干燥室內單板堆裝和含水率檢驗板選制

如圖2所示將單板堆裝在電極板之間，使其自材心向樹皮方向指向供電極板(圖2c)。為了提高高頻加熱效率及減少干燥過程中單板變形，在供電極板上方施加約8 kPa壓力。將各單板自供電極板至接地極板方向依次標號1—17，在1號與2號、9號與10號單板之間分別放置一塊含水率檢驗板(分別記為1#與2#)，以測算干燥過程中材堆高度方向接近供電極板位置與中間位置單板平均含水率變化。含水率檢驗板的初含水率由初含水率試片測算得到，進而由檢驗板初始質量推算其絕干質量，長度方向在材堆中空余空間用與其含水率差異較小的試材拼接補齊(圖3)。干燥過程中不同時間分別取出兩塊含水率檢驗板放置于精度為1 g的臺秤上稱量即時質量，并計算檢驗板當時含水率。該檢測過程耗費時間大約2 min，檢驗板水分損失不足1 g。因為電極板間不同單板干燥速度有一定差異，所以檢驗板拿取致使的檢驗板含水率損失對把握單板材堆整體干燥過程的影響可忽略不計。當兩塊含水率檢驗板含水率降至約10%時，停止干燥。

1.2.3溫度檢測

使用光導纖維溫度傳感器及Pt100在線檢測材堆圖1所示部位溫度。測點用3位數(shù)字表示，第一位數(shù)字順序表示沿試材長度方向從左至右的5個橫斷面，第二位數(shù)字順序表示沿試材厚度方向從接地極板至供電極板與電極板平行的3個縱斷面，第三位數(shù)字順序表示沿試材寬度方向從側面至中心位置與電極板垂直的3個縱斷面[10]。所測溫度每隔4 min自動存入計算機，實驗結束后分析處理。

圖2　干燥室內單板堆裝示意圖

圖3　含水率檢驗板選制示意圖

1.2.4單板質量檢測

干燥前測量各單板的初始質量、開裂及翹曲度；干燥后的質量檢測包括單板脫水比、終含水率及其標準偏差、開裂和翹曲。具體如下：

①脫水比：干燥前稱量1—17號單板(光纖測溫點打孔后)初始質量，干燥后再次稱量其質量，定義脫水比為式(1)計算值。

D=(Gi-Gf)/Gi。

(1)

式中：D為脫水比；Gi為單板干燥前質量(g)；Gf為單板干燥后質量(g)。

②終含水率平均值及其標準偏差：選取1、2、6、10、17號單板如圖4所示進行標號并鋸解，稱質量后放入干燥箱內烘至絕干，稱絕干質量，測算標號部位含水率，進而獲得單板幅面上的含水率分布及終含水率均值。單板幅面上終含水率標準偏差按式(2)計算。

(2)

式中：S為干燥后單板幅面上鋸解后各試片含水率標準偏差；N為鋸解后的終含水率試片總數(shù)量(25個)；MCi為鋸解后的各試片終含水率值；MC為鋸解后的各試片終含水率平均值。

③開裂：干燥前測量單板裂紋的條數(shù)及其長度，干燥后測量裂紋條數(shù)以及原裂紋長度的變化；評價指標采用裂紋條數(shù)及縱裂度(裂紋長度占單板長度的百分率)。

④翹曲：翹曲包括順彎、橫彎及翹彎，因單板幅面較大而無橫彎，本系列實驗僅考慮順彎及翹彎，均為最大彎曲拱高與曲面水平長度之比，以百分率表示。即，按式(3)進行計算。

W=(h/l)×100%。

(3)

式中：W為翹曲度(或翹曲率)(%)；h為最大彎曲拱高(mm)；l為內曲面水平長(寬)度(mm)。

⑤扭曲：單板偏離平面的最大高度與單板長度(檢尺長)之比，以百分率表示，按式(4)計算。

Wt=(h/L)×100%。

(4)

式中：Wt為扭曲度(或扭曲率)(%)；h為最大偏離高度(mm)；L為試驗板長度(檢尺長)(mm)。

⑥總翹曲：按式(5)進行計算[11]。

Wa=(Wb+Wc+Wt)×1/3。

(5)

式中：Wa為總翹曲度(%)；Wb為順彎度(%)；Wc為翹彎度(%)；Wt為扭曲度(%)。

圖4　終含水率試片及分解試樣編號

2　結果與分析

2.1　單板材堆溫度分布變化

圖5—圖7分別示出了材堆長度、寬度及厚度方向溫度分布的變化。其中，圖5為實驗3材堆橫斷面中心部位溫度沿長度方向上的分布變化，即，T1.3.3(距端部為材長的1/10處)、T2.3.3(距端部為材長的1/5處)、T5.3.3(中心)的變化；圖6為實驗4材堆寬度方向溫度分布的變化，即，長度方向距端部為材長的1/5處、相距15 mm的3個橫斷面水平中心線上近側面2.3.1、中心4.3.3、中間3.3.2處溫度的變化；圖7為實驗6材堆高度方向溫度分布的變化，即，長度方向距端部為材長的1/5處橫斷面的垂直中心線上近接地極板2.1.3、中心2.3.3、中間2.2.3處溫度的變化。綜合3個圖可知，單板材堆中溫度分布的變化分為升溫階段的快速升溫過程和干燥階段的溫度緩慢變化過程。在快速升溫過程，各測點溫度在較短時間內升至Tsa，材堆長度方向3測點升溫速度存在差異，T1.3.3>T2.3.3>T5.3.3(圖5)。其原因是因電磁場邊緣效應使得場強(E)分布不均(E1.3.3>E2.3.3、E5.3.3)、材堆端部向低溫罐體的熱輻射、端部向周圍濕空氣的對流換熱、單板長度方向上含水率分布不均等所致，而熱輻射的影響不大、對流換熱影響亦微小(罐體內濕空氣少且自然對流流速低)、預備實驗得知單板長度方向初含水率差異也較小，所以前者為主要原因。即，端部處于電極板邊緣，邊緣效應使得其E增大、高頻加熱量大、溫度高[12]，熱傳導使得遠離端部部位溫度逐漸降低。在干燥階段的溫度緩慢變化過程，開始為各點細胞腔內自由水沸騰汽化、溫度等于同部位壓力所對應的飽和溫度的過程。由于自由水汽化速度快，在向材外遷出的同時會有部分積累而使水蒸汽壓力略有升高，溫度亦相應升高。該階段長度方向持續(xù)時間，端部僅4～5 h，其它部位約10 h多；寬度方向各部位持續(xù)時間約15 h；高度方向各部位持續(xù)時間約10 h。汽化完畢，細胞腔內水蒸汽處于過熱狀態(tài)時，各點溫度由近Tsa緩慢升至與Tc相近。即，隨著干燥的進行，木材細胞壁內水分逐漸減少，吸收高頻加熱量減少，溫度平穩(wěn)上升，主要由木材的介電特性決定[13-14]。該階段材堆的溫度分布變化存在差異：①材堆長度方向的3部位溫度分布變化(圖5)，近端部溫度T1.3.3較高，其它部位溫度T2.3.3及T5.3.3略低且相近。端部溫度高的原因如前所述，主要因電磁場邊緣效應使得端部場強較大、高頻加熱量大所致，而端部較其它部位含水率略低所引起的高頻加熱量減小的影響則很?。虎诓亩褜挾确较驕囟确植嫉淖兓?圖6)，呈現(xiàn)內高外(側邊)低的分布趨勢，即T4.3.3>T3.3.2>T2.3.1。其影響因素如前所述，有含水率分布均勻性、材堆端部向低溫罐體的熱輻射、電磁場場強分布均勻性等，最主要的是含水率分布均勻性。即，材堆寬度方向含水率呈現(xiàn)內高外低分布趨勢，使得高頻加熱量分布亦內部大、側邊低，且各部位水分蒸發(fā)吸熱量相差不大(總蒸發(fā)量減小)，產生該溫度分布。而側邊距電極板邊緣尚有100 mm，邊緣效應對電磁場強度分布的影響弱，熱輻射影響亦可忽略；③材堆高度方向溫度分布的變化(圖7)，呈現(xiàn)中心層高、近接地極板層低的溫度分布趨勢，即T2.3.3(中心層)>T2.2.3(中間層)>T2.1.3(近接地極板層)，且后期中心層溫度與中間層溫度高低逆轉。近供電極板層溫度較低的原因，是因為該層部分熱量沿接地極板下方用于支撐材堆的不銹鋼板傳至殼體所致。盡管該層與接地極板間設置了一塊已干單板，但其在干燥過程中很快吸濕、隔熱性能下降，雖減小了上述溫度梯度，但未能使其消除。而干燥后期中心層溫度與中間層溫度高低的逆轉，主要由兩者含水率高低逆轉、高頻加熱量變化引起。

圖5　實驗3材堆橫斷面中心部位溫度沿長度方向上的分布變化

圖6　實驗4材堆寬度方向上溫度分布變化

圖7　實驗6材堆高度方向上溫度分布變化

2.2　干燥速度及其影響因素

表2列出了6批單板按表1所示6組干燥工藝條件(實驗1—實驗6)干燥時的干燥速度、周期；圖8、圖9分別示出了不同干燥工藝條件下單板的干燥曲線、干燥速度與平均含水率的關系曲線?？芍航╇姌O板的1#與材堆中心層2#含水率檢驗板的干燥速度比較，除實驗6干燥過程前、中期(70%>MC≥30%)外，2#干燥速度均明顯大于1#。原因分析如下：干燥過程中單板中水分主要在材內外水蒸汽壓力梯度(驅動力)作用下，向材外滲流和擴散。纖維飽和點之上，木材內部沸騰區(qū)大毛細管內水分沸騰汽化、水蒸汽壓力等于同部位溫度所對應的飽和壓力(材堆5.2.3處壓力即為表1中的Psc)[15]。纖維飽和點之下，沸騰區(qū)微毛細管內水分處于擬沸騰狀態(tài)、水蒸汽壓力雖不具有上述對應關系但與同部位溫度正相關[16]。即，驅動力與木材內部溫度正相關，滲流的滲透性和擴散的擴散系數(shù)亦都與溫度正相關。由2.1材堆溫度分布的變化規(guī)律可知，2#溫度比1#高(圖7)，所以上述原因使得2#干燥速度明顯大于1#；Tc相同、Pa不同的實驗1與實驗5(Tc=64.5 ℃)、實驗4與實驗6(Tc=54.5 ℃)的干燥速度比較，Pa低、Tc所對應的飽和蒸汽壓力與環(huán)境壓力之差(ΔP)大者干燥速度快。即，ΔP5(13.5 kPa)>ΔP1(4 kPa)，ΔP6(8.5 kPa)>ΔP4(4.5 kPa)，干燥速度實驗5大于實驗1，實驗6大于實驗4。這是因為ΔP與前述水分遷出驅動力成正比所致。雖然(ΔP5-ΔP1)>(ΔP6-ΔP4)，然而干燥速度5-干燥速度1卻小于干燥速度6-干燥速度4。最主要原因可能是因為，實驗1材堆底層與接地電極板直接接觸，導熱損失使Tc低于材堆平均溫度，而其它3個干燥實驗材堆底層與接地電極板間設置了隔熱材料，使Tc接近或大于材堆平均溫度，導致實驗5材堆平均溫度小于實驗1，溫度差引起的干燥速度削弱了ΔP增大引起的干燥速度增大。ΔP相近、Tc不同的實驗1與實驗4(ΔP為4.0～4.5 kPa)的干燥速度比較，Tc高者干燥速度快，即實驗1干燥速度大于實驗4。原因如前所述是因為溫度高使得驅動力、滲透性和擴散系數(shù)增大所致。由上述結果及分析可知，單板干燥速度取決于外部因子和內部因子，前者包括其溫度(T)、環(huán)境壓力等(由干燥工藝決定)，后者包括水分滲透性、擴散系數(shù)和遷移距離(L)等。Pa降低、T升高，水分遷移驅動力(ΔP/L)增大、干燥速度加快；T升高還能使水分滲透性和擴散系數(shù)增大，因而對干燥速度影響顯著。

表2　不同干燥條件下單板的干燥周期和干燥速度

注：全程為70%>含水率>12%范圍內干燥；在實驗4干燥工藝條件下的1#含水率檢驗板含水率降至19%左右極難干燥。

2.3　干燥質量

2.3.1單板干燥后脫水比

圖10a和圖10b分別為以不同干燥條件干燥后材堆中單板脫水比散點圖和箱線圖。圖10a表明單板在不同干燥條件下干燥后脫水比沿材堆高度方向呈中心位置附近高、近兩電極板處低的趨勢，在實驗1—實驗3近接地極板處單板脫水比有低于0.1的情況，單板干燥效果較差。從圖10b中可以看出實驗6數(shù)據分布最為集中，不同單板脫水比較為一致，因而單板在初含水率差異不大的前提下，在該組實驗干燥條件下干燥后單板終含水率更接近，材堆高度方向上單板干燥均勻度更好。

2.3.2單板終含水率及其標準偏差

表3為不同干燥條件下干燥結束后單板終含水率及其標準偏差統(tǒng)計?？梢钥闯?，前3組實驗中單板終含水率及標準偏差，沿材堆高度方向呈中間位置單板低、近兩電極板處單板高的趨勢。由2.1、2.2分析可知，該現(xiàn)象主要由于材堆中溫度分布不均、干燥工藝條件等引起的干燥速度差異所致。溫度分布不均的影響如2.1、2.2中所述；干燥工藝的影響表現(xiàn)為，ΔP過小會使材堆單板中水分非沸騰區(qū)域增大、干燥緩慢且均勻性下降，過大也會因不同部位滲透性差異引起水分分布不均。干燥后3組干燥實驗，由于在材堆與電極板間設置了隔熱材料，使得材堆高度方向溫度分布均勻性提高，含水率差異減小，供電極板側尤為明顯。實驗6最高與最低終含水率分別為10.31%與7.90%，最大與最小終含水率標準偏差分別為0.79%與0.35%，在含水率均勻性上為系列實驗中最優(yōu)。圖11也示出了實驗6中6號和10號單板終含水率分布，可以發(fā)現(xiàn)受溫度分布影響單板寬度方向終含水率呈中間低、近側面高的趨勢，長度方向上終含水率較為一致。該規(guī)律在其它實驗組中亦有體現(xiàn)。

圖8　不同干燥條件下單板干燥曲線

圖9　不同干燥條件下單板干燥速度與平均含水率關系曲線

表3　6組實驗不同部位單板終含水率及標準偏差

注：表中數(shù)據為平均值±標準偏差。

2.3.3單板干燥后開裂

對于厚度較薄的單板干燥而言，裂紋主要是表裂及端裂。6組實驗可見裂紋縱裂度及對應條數(shù)如表4所示。干燥前6組實驗單板沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。干燥后實驗2出現(xiàn)12條裂紋，且裂紋較長；實驗6裂紋短而少，僅為1條。由表1干燥條件可知實驗2與實驗5的Tc較高、Pa較小、ΔP較大，和其他實驗相比干燥速度更快，因而其開裂現(xiàn)象較為嚴重。實驗1的ΔP較小，Tc較高，干燥結束后仍有11條裂紋；該現(xiàn)象說明溫度因素是影響木材開裂的重要原因，高溫下木材更易開裂，這與DENIG J的研究相一致。因此，盡可能降低Tc和適當降低Pa以確保適宜的ΔP，可在保證不開裂前提下提高干燥速度。

圖10　6組實驗單板脫水比散點圖和箱線圖

圖11　實驗6部分單板終含水率分布

2.3.4單板干燥后翹曲變形

翹曲變形是單板干燥過程中較易產生的干燥缺陷，翹曲度是生產中對單板干燥質量評價的重要指標，直接影響單板的后續(xù)加工[11]。表5與表6分別給出了不同干燥條件下單板干燥終了及干燥后陳放48 h后翹曲度統(tǒng)計。除實驗3總翹曲度較高外，其余實驗總翹曲度均小于1.0%；在陳放后各組實驗單板翹曲度有升高趨勢，實驗3總翹曲度平均值達到3.33%，標準偏差增大為3.03。實驗6單板干燥后陳放48 h的總翹曲度平均值與標準偏差略高于最小的實驗1。

表5　6組實驗單板干燥終了翹曲度統(tǒng)計

注：表中數(shù)據為平均值±標準偏差。

表6　6組實驗單板干燥后陳放48小時后翹曲度統(tǒng)計

注：表中數(shù)據為平均值±標準偏差。

3　結論

干燥過程中單板材堆溫度分布變化規(guī)律為：長度方向，主要受高頻電磁場邊緣效應等影響，近端部略高，其它部位相近(與近端部相比低2 ℃左右)；寬度方向，主要受含水率分布影響呈現(xiàn)內部高側邊低的分布趨勢(心表層差約4～7 ℃)；高度方向，受電極板導熱損失的影響呈現(xiàn)中心層高、近接地極板層低的分布趨勢(溫度差約4～6 ℃)。底層與接地極板間設置已干單板后雖能減小溫度梯度，但不能使其消除。

單板干燥速度取決于其溫度(T)、環(huán)境壓力(Pa)、水分滲透性、擴散系數(shù)和遷移距離(L)等，Pa降低、T升高，水分遷移驅動力(ΔP/L)增大、干燥速度加快?？刂茰囟?Tc)相同、Pa不同的實驗1與實驗5(Tc=64.5 ℃)、實驗4與實驗6(Tc=54.5 ℃)的干燥速度比較，ΔP大者干燥速度快；T升高還能使?jié)B透性和擴散系數(shù)增大，因而對干燥速度影響顯著，但使單板易開裂。ΔP相近、Tc不同的實驗1(Tc=64.5 ℃)干燥速度大于實驗4(Tc=54.5 ℃)，但前者開裂數(shù)量(11條)遠大于后者(2條)。

單板終含水率及其標準偏差呈材堆高度方向中間位置單板低、近電極板處單板高的趨勢。主要由材堆中溫度分布不均、干燥工藝條件等引起的干燥速度差異所致。在材堆與電極板間設置隔熱材料，能使材堆高度方向溫度分布均勻性提高、含水率差異減小。

6組干燥工藝中，按工藝6干燥，單板干燥速度略低于最快值，脫水比數(shù)據最集中，含水率分布均勻性最好，裂紋最短最少，總翹曲度平均值與標準偏差略高于最小值。因此，確定該工藝為5 mm柞木單板的較適宜高頻真空干燥工藝。