沃拉巴木材干燥特性及干燥工藝

楊雪迪，涂登云，陳川富，孫佳琦，曾昭明，顏 亮

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510642)

鐮形木莢蘇木，拉丁名Eperuafalcata，木莢蘇木屬，產(chǎn)于蘇里南，商品材名稱(chēng)為沃拉巴，英文名Wallaba，俗稱(chēng)金花柚木、油花梨。該木材心材區(qū)別明顯，由褐色至紅褐色，徑面具深淺相間條紋，與邊材區(qū)別明顯，邊材灰色至粉紅色，生長(zhǎng)輪明顯。木材光澤強(qiáng)，紋理通直，結(jié)構(gòu)略粗，略均勻。沃拉巴是一種堅(jiān)硬、沉重的木材，氣干木材的密度為928 kg/m3。木材富含樹(shù)膠，干燥很慢，有明顯的開(kāi)裂和翹曲傾向，木材干燥后穩(wěn)定性中等，內(nèi)含物在加工和使用過(guò)程中會(huì)溢出，因?yàn)楦缓瑯?shù)膠，木材很耐腐，抗蟻和抗干木害蟲(chóng)能力強(qiáng)，抗海生鉆木動(dòng)物性能中等，常用于重型建筑、木瓦、戶(hù)外地板、海港及碼頭用材(淡水)等[1]。

由于沃拉巴木材樹(shù)膠含量高，木材干燥困難，目前在戶(hù)外應(yīng)用時(shí)常出現(xiàn)開(kāi)裂、變形等質(zhì)量問(wèn)題，從而限制了該木材的應(yīng)用。究其原因是沃拉巴木材沒(méi)經(jīng)過(guò)干燥或干燥質(zhì)量不達(dá)標(biāo)所致，正確選擇木材干燥基準(zhǔn)，不但能夠提高其干燥速率和使用率，還可以提高沃拉巴木材制品的使用質(zhì)量。為獲得木材干燥工藝，百度試驗(yàn)法是比較常用方法[2]，我國(guó)學(xué)者采用該方法研究了黑胡桃木[3]、鄧恩桉木[4]、雞翅木[5]、橄欖木[6]、大花序桉[7]、人面子木[8]、銀腺楊[9]、非洲花梨木[10]、馬占相思木[11]等木材的干燥特性。Rubin Shmulsky等通過(guò)改變干燥期間各個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)條件，得出溫度和濕度都達(dá)到最優(yōu)的干燥條件[12]。在硬重木材干燥研究方面，我國(guó)在木材干燥特性、干燥工藝和干燥后養(yǎng)生工藝等方面開(kāi)展了較為廣泛和系統(tǒng)的研究[13-15]。

目前，關(guān)于沃拉巴木材干燥特性和干燥工藝方面的研究未曾有人嘗試，因此有必要進(jìn)行沃拉巴木材的干燥特性和干燥工藝研究，以更好地利用沃拉巴木材。本文從研究沃拉巴木材干燥特性入手，通過(guò)制定干燥基準(zhǔn)和工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到了沃拉巴木材的干燥工藝，從而為沃拉巴木材的干燥生產(chǎn)及其后期利用提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

沃拉巴試材產(chǎn)自蘇里南，試材規(guī)格為1 000 mm(長(zhǎng))×350 mm(寬)×50 mm(厚)，共40塊，初含水率43%。所有試材兩端涂覆玻璃膠，用保鮮膜包好，待用。

從試材中挑選5塊無(wú)缺陷的弦切板作為干燥特性試材，將其加工為200 mm(順紋)×100 mm(弦向)×20 mm(徑向)，共10塊，加工好后用保鮮膜包好，待用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)使用的儀器設(shè)備主要有：101A-3型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)，溫度范圍50～300 ℃)；BPS-100 CL恒溫恒濕箱；干燥試驗(yàn)箱(自制，容積1 m3，電加熱)；電子秤(精度0.5 g)；電子天平(精度0.01 g)；0.02～1 mm塞尺；游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)；精密推臺(tái)鋸(型號(hào)GTS10J)等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 百度試驗(yàn)

采用百度試驗(yàn)法進(jìn)行沃拉巴木材干燥特性測(cè)定及干燥特性等級(jí)評(píng)定。沃拉巴木材干燥特性見(jiàn)表1，其初期開(kāi)裂4級(jí)、內(nèi)裂4級(jí)、截面變形3級(jí)及干燥速度4級(jí)。由此可見(jiàn)，沃拉巴木材干燥時(shí)的主要缺陷為表裂和內(nèi)裂，干燥速度慢。

1.3.2 干燥基準(zhǔn)

參照沃拉巴木材干燥特性等級(jí)以及變形和開(kāi)裂等級(jí)對(duì)照表，考慮到沃拉巴木材厚度較大，干燥前期容易產(chǎn)生表裂，所以前期溫度不宜過(guò)高。通過(guò)預(yù)熱處理，可在一定程度上提高其穩(wěn)定性。由于沃拉巴木材干燥后期容易內(nèi)裂，干燥過(guò)程中需要進(jìn)行調(diào)濕處理，消除表面硬化，后期干燥溫度不宜過(guò)高，得出50 mm厚沃拉巴鋸材干燥基準(zhǔn)見(jiàn)表2。

由表2可知，按照含水率大小將干燥過(guò)程分成7個(gè)階段，當(dāng)干球溫度由40 ℃逐步升溫至70 ℃、含水率大于25%時(shí)，干球溫度升溫速率較為緩慢，升溫幅度較小，干濕球溫度差較小，可有效地預(yù)防初期開(kāi)裂；而當(dāng)含水率低于25%時(shí)，可進(jìn)行中間處理，相應(yīng)提高升溫幅度和干濕球溫度差。

表1 沃拉巴木材干燥特性等級(jí)

缺陷情況初期開(kāi)裂內(nèi)部開(kāi)裂截面變形干燥速度測(cè)試值長(zhǎng)表裂3條,端細(xì)表裂26條,短端表裂18條細(xì)裂15條1.0 mm25 h等級(jí)4434

表2 50 mm厚沃拉巴鋸材干燥基準(zhǔn)

階段含水率/%干球溫度/℃干濕球溫度差/℃相對(duì)濕度/%處理時(shí)間/h1預(yù)熱處理400100102>4040288340～35464794中間處理4619410535～3048477630～25508627中間處理5019410825～20561250920～156015431015～1070203511終了調(diào)濕處理7037910

1.3.3 干燥工藝試驗(yàn)

依據(jù)LY/T 1068-2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》[16]要求，挑選2塊無(wú)節(jié)子、無(wú)開(kāi)裂的弦切板用作含水率檢驗(yàn)板，并分別標(biāo)號(hào)為A板、B板。在各含水率檢驗(yàn)板兩端截取10 mm的試件，檢測(cè)其初含水率，并依據(jù)式(1)計(jì)算各含水率檢驗(yàn)板的絕干質(zhì)量。干燥過(guò)程中，每隔24 h從干燥箱中取出含水率檢驗(yàn)板，測(cè)其質(zhì)量，并根據(jù)式(2)計(jì)算干燥過(guò)程中各試樣的含水率。

(1)

(2)

式中：m絕干為試件絕干質(zhì)量(g)；m初為試件初始質(zhì)量(g)；M初為試件初含水率(%)；Mi為試件含水率(%)；mi為試件質(zhì)量(g)。

試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)木材含水率變化，調(diào)整干燥工藝參數(shù)，干燥工藝試驗(yàn)過(guò)程如下：

(1)預(yù)熱處理：預(yù)熱處理的目的是減小木材厚度上的溫度梯度，有利于木材中水分的排出。預(yù)熱溫度為45 ℃、干濕球溫度差0 ℃、處理時(shí)間10 h(按2.0 h/cm計(jì))。

(2)干燥及中間處理選擇40 ℃的初始干球溫度、2 ℃的干濕球溫度差。為避免出現(xiàn)開(kāi)裂、扭曲等干燥質(zhì)量，以1 ℃/h的速度進(jìn)行干、濕球溫度的升降。當(dāng)含水率干燥至35%、25%時(shí)分別進(jìn)行中間處理，第一次中間處理的干球溫度為46 ℃、干濕球溫度差1 ℃，第二次中間處理的干球溫度為50 ℃、干濕球溫度差1 ℃，每次中間處理時(shí)間為10 h(按2.0 h/cm計(jì))。

(3)終了調(diào)濕處理：終了調(diào)濕處理的目的是消除木材表面的塑化固定，減少其殘余應(yīng)力。終了調(diào)濕處理的干球溫度70 ℃、干濕球溫差3 ℃、處理時(shí)間10 h(按2.0 h/cm計(jì))。

1.3.4 干燥質(zhì)量檢測(cè)

參照GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[17]，測(cè)量計(jì)算干燥后所有鋸材順彎度、側(cè)彎度、瓦彎度、扭曲度、內(nèi)裂數(shù)、縱裂度、終含水率、厚度含水率偏差和殘余應(yīng)力，核定鋸材殘余應(yīng)力和可見(jiàn)缺陷干燥質(zhì)量等級(jí)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 干燥曲線

通過(guò)測(cè)量干燥過(guò)程中各時(shí)間點(diǎn)試件的含水率，繪制干燥速率曲線如圖1所示。圖中，階段1為預(yù)熱階段，2、3、5、6、8、9、10為干燥階段，4、7階段為中間處理階段，11為終了調(diào)濕處理階段。由圖1可知，各個(gè)干燥階段干燥曲線的斜率較為接近，說(shuō)明本文在不同含水率階段給出的干燥工藝參數(shù)較為合適。在第一次中間處理前后，含水率分別為35.16%和35.15%。第二次中間處理前后，木材含水率分別為25.23%和25.24%，中間處理前后木材水分不再降低或略有提高，說(shuō)明兩次中間處理給出的干燥工藝參數(shù)較為合適。

圖1 50 mm厚沃拉巴鋸材干燥曲線

2.2 干燥速度

干燥速度是反映木材內(nèi)部水分向外部移動(dòng)快慢的重要指標(biāo)，也是反映木材干燥難易程度的一個(gè)重要指標(biāo)，其與木材的構(gòu)造密切相關(guān)。50 mm厚沃拉巴鋸材初含水率均值為43%，干燥終了含水率均值為10.25%，整個(gè)干燥過(guò)程用時(shí)41天，全程干燥的速度是0.031 %/h。沃拉巴鋸材各含水率階段干燥速度的變化如圖2所示。由圖2可知，干燥第3階段干燥速度最快為0.056 %/h，大于干燥第2階段(含水率大于40%)的干燥速度。這是因?yàn)?，雖然干燥第2階段木材含水率比第3階段高，但沃拉巴木材干燥初期容易產(chǎn)生表裂和端裂，為了防止木材干燥產(chǎn)生端裂和表裂，工藝上采用較低的溫度和較小的干濕球溫度差，即干球溫度40 ℃，干濕球溫差2 ℃。含水率低于40%后，干球溫度提高，干濕球溫度差變大，木材干燥速度提高。干燥的第4階段后，干燥速度又降低，是因?yàn)殡S木材內(nèi)含水率的降低，木材外層水分開(kāi)始低于FSP(木材纖維飽和點(diǎn)含水率)，木材內(nèi)部自由水?dāng)?shù)量減少，干燥速度開(kāi)始降低。因此，在工藝上，為了保持木材較快的干燥速度，需要一定程度上提高干燥介質(zhì)溫度、降低相對(duì)濕度。

圖2 50 mm厚沃拉巴鋸材干燥速度

2.3 干燥質(zhì)量

對(duì)35塊被干試件的干燥質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

由表3、表4可知，試件平均終含水率為10.54%、含水率均勻度為±4.12%、厚度上含水率偏差為4.02%，均達(dá)到《鋸材干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 6491-2012)二級(jí)要求[17]。殘余應(yīng)力值為2.45%，可見(jiàn)缺陷順彎度為0.2%、橫彎度為0.34%、側(cè)彎度為0.1%、扭曲度為0.2%、縱裂為1.5%，無(wú)內(nèi)裂和皺縮產(chǎn)生，達(dá)到《鋸材干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 6491-2012)一級(jí)要求。

表3 50 mm厚沃拉巴鋸材不可見(jiàn)缺陷干燥質(zhì)量

項(xiàng)目終含水率/%含水率均勻度/%厚度上含水率偏差/%殘余應(yīng)力值/%均值12.54±4.124.022.45等級(jí)二級(jí)二級(jí)二級(jí)一級(jí)

表4 50 mm厚沃拉巴鋸材可見(jiàn)缺陷干燥質(zhì)量

項(xiàng)目順彎/%橫彎/%側(cè)彎/%扭曲/%內(nèi)裂/%縱裂/%皺縮深度/mm均值0.200.340.100.2001.50無(wú)等級(jí)一級(jí)一級(jí)一級(jí)一級(jí)一級(jí)一級(jí)一級(jí)

3 結(jié)論

(1)由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，沃拉巴的初期開(kāi)裂等級(jí)為4級(jí)，內(nèi)部開(kāi)裂等級(jí)為4級(jí)，截面變形等級(jí)為3級(jí)，干燥速度等級(jí)為4級(jí)，屬難干材。

(2)采用本文給出的干燥基準(zhǔn)，50 mm厚沃拉巴鋸材從初含水率43%干燥至10.25%用時(shí)41天，干燥過(guò)程中分別在含水率35%和25%時(shí)進(jìn)行中間處理，每次中間處理時(shí)間為10 h，可有效消除干燥應(yīng)力，防止開(kāi)裂。

(3)干燥均勻度較好，厚度上含水率偏差為4.02%。采用本文給出的干燥工藝，50 mm厚沃拉巴鋸材干燥殘余應(yīng)力及各類(lèi)可見(jiàn)缺陷均達(dá)到GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)要求，該干燥工藝可以用于指導(dǎo)沃拉巴木材的實(shí)際干燥生產(chǎn)。