桉木冷凍干燥和常規(guī)干燥對比研究

(南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，江蘇 南京 210037)

人類經濟的高速發(fā)展及生活水平的快速提高導致世界范圍內木材資源日益緊缺，開發(fā)人工林是解決木材供需矛盾的有效方法[1]。桉樹是世界三大速生林之一，具有生長快、產量高、經濟效益好等特點，極具開發(fā)優(yōu)勢[2-3]。桉木密度適中、紋理美觀，具備制造實木家具及裝飾材料的條件。產品開發(fā)時，木材的材性與木制品的設計、加工及結構等密切相關[4-6]。因此，桉木利用應建立在良好材性控制的基礎之上，利用合理的干燥技術[7-10]來實現木材的材性穩(wěn)定。

桉木在常規(guī)干燥過程中由于溫度過高常導致發(fā)生嚴重的皺縮，皺縮是由自由水遷移產生的毛細管張力大于木材細胞壁的橫紋抗拉強度所致[11-12]。因此，可以采取降低溫度的方法來干燥，高周波真空干燥[14-15]能在低溫條件下實現快速干燥木材。另外，超臨界二氧化碳萃取也能在較低的溫度下通過超臨界狀態(tài)的二氧化碳將桉木中的水分帶走，防止桉木皺縮[16]。而冷凍干燥[17]是將材料中的水先凍結成冰，然后在低溫低壓的條件下使材料中的冰直接升華成水，不經歷液相，因此干燥過程不產生毛細管張力，能夠從根本上解決桉木干燥皺縮問題。

本研究以尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)為試材，對其進行冷凍和常規(guī)干燥，對比兩種干燥方法的干燥速度、含水率梯度、應力及干縮變形和皺縮，為易皺縮木材的高品質干燥提供技術參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

速生人工林尾巨桉，初含水率在110%～130%之間，氣干密度為0.565 g/cm3。原木砍伐后運至南京林業(yè)大學，然后加工成1 000 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)規(guī)格方材。將方材編號，塑料薄膜密封包裹后放入冰柜保存。干燥試驗前將2根尾巨桉方材分別加工成首尾連接的100 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)試件8塊，分別用于冷凍干燥和常規(guī)干燥。

1.2 試驗設備

鼓風干燥箱(DHG-905386-Ⅲ，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)；冷凍干燥機(LGJ-10C，北京四環(huán)科學儀器廠有限公司)；佳能掃描儀(CanoScan LiDE 700F)；電子天平(FA2004，0.001 g，上海精密儀器有限公司)；數顯游標卡尺(日本三豐，0.01 mm)。

1.3 試驗方法

1.3.1 冷凍干燥和常規(guī)干燥工藝

(1)冷凍干燥：首先將全部試件放入冷凍干燥機的冷肼中預凍，條件為-60 ℃、12 h。預凍結束后將試件放入冷凍干燥機凍干架的托盤上進行冷凍干燥，壓力為30 Pa。

(2)常規(guī)干燥：參考以往文獻，本次常規(guī)干燥條件為溫度60 ℃，濕度66%。

1.3.2 干燥過程含水率及干燥應力測定

(1)初含水率：干燥試件鋸截時，在每塊試件的兩端鋸取2片5 mm試片，參照GB/T 1931-2009，用烘干法測量材料的初含水率。

(2)干燥過程含水率分布及干燥應力：冷凍及常規(guī)干燥過程，定時取出試件測量其重量并估算其含水率，當含水率到達預定鋸切點時將試件從干燥設備內取出，在試件中間位置鋸截2片3 mm木片，標號為1和2。1號木片用于分層含水率和干燥應力測量，將木片順紋劈成等厚5層，用烘干法測量每層的含水率。同時測量每層木條變形前長度L及變形后撓度f，按公式(1)計算干燥應力指標。2號木片用于干縮測量，各層的含水率平均值為干燥過程試件的當時含水率。分層含水率測量如圖1所示。

圖1 分層含水率測量

(1)

式中：Y為試件應力指標(%)；f為試件變形撓度(mm)；L為試件長度(mm)。

1.3.3 干縮變形測量

利用上述鋸截木片2測量干燥過程木材干縮變形。本研究測量橫斷面的干縮，橫截面掃描成圖像文件后，利用Image J[18]處理軟件測出其面積后立即用天平測量質量。然后將其烘至絕干，再次測量面積和質量。試件干燥過程不同含水率點時面積干縮率按公式(2)計算。

(2)

式中：S為面積干縮率(%)；Ai為試件初始面積(mm2)；Aw為含水率w時的面積(mm2)。

2 試驗結果與分析

2.1 干燥速度對比

圖2是尾巨桉冷凍與常規(guī)干燥過程含水率-時間變化曲線，表1統計了兩種干燥方式下初含水率、干燥時間及干燥速度。由圖2可知，盡管冷凍和常規(guī)干燥試件的初含水率不同，但其在FSP上下的干燥速度差別很大。FSP以上干燥速度快，FSP以下冷凍和常規(guī)干燥的速度都變的緩慢。由表1數據可知，無論哪種干燥方式，在FSP上下，干燥速度不在一個數量級。對于冷凍和常規(guī)干燥，FSP以上的速度是FSP以下的4.8和6.5倍。此外，由表1可知，干燥全程冷凍干燥速度都大于常規(guī)干燥，是其1.3倍。FSP上下，其干燥速度為常規(guī)的1.07和1.45倍。由此可知，FSP以上冷凍和常規(guī)干燥速度差別不大；FSP以下，冷凍干燥速度明顯大于常規(guī)干燥。FSP以下木材中的水分為吸著水，其在常規(guī)干燥過程脫除困難，而冷凍干燥過程由于木材內外壓力差較大，進而加快了吸著水的脫除。

圖2 冷凍及常規(guī)干燥速度對比

表1 冷凍干燥與常規(guī)干燥速度對比

2.2 含水率梯度對比

圖3是冷凍干燥和常規(guī)干燥過程不同含水率階段木材心層和表層含水率梯度的對比。表層含水率為圖1(a)中左右兩個表層木條的平均含水率。由圖3可以看出，干燥全程冷凍干燥的含水率梯度大于常規(guī)干燥，且兩種干燥方法的含水率梯度變化趨勢類似，呈現先增加后減小的趨勢。其中，常規(guī)干燥在含水率下降至53%左右時，其心表層含水率梯度達到最大值，約23%，而冷凍干燥在含水率下降至38%附近時達到最大值，約為47%，這表明冷凍干燥過程心表層含水率梯度持續(xù)時間更長。含水率梯度是促使水分遷移的驅動力，冷凍干燥過程其含水率梯度平均為常規(guī)干燥的1.9倍，因此其水分遷移速度快。

圖3 冷凍干燥與常規(guī)干燥含水率梯度對比

2.3 干燥應力對比

圖4是冷凍干燥和常規(guī)干燥過程干燥應力與含水率變化曲線。因為本次干燥試件弦向尺寸只有30 mm，遠小于國標尺寸，所以應力指標值偏小，但可以用來對比不同干燥方法下木材應力變化的大小和趨勢。由圖4可知，冷凍干燥和常規(guī)干燥應力的變化趨勢相似，隨含水率降低呈波動變化，但冷凍干燥的應力在各含水率階段都小于常規(guī)干燥。冷凍干燥過程水分主要以升華的方式脫除，不同于常規(guī)干燥毛細張力下的自由水遷移及濃度梯度下吸著水的擴散，因此其導致木材產生的干燥應力要小。

2.4 木材干縮對比

圖5是冷凍干燥與常規(guī)干燥過程不同含水率階段橫截面的干縮對比。木材是生物材料，其變形受溫度影響很小，即木材的熱脹冷縮很小。但是水分的變化會引起木材尺寸的變化，尤其含水率低于FSP時，木材產生干縮濕脹，進而導致木材出現變形和開裂等問題。FSP以上，木材中水分的減小通常不會引起收縮，但是某些特殊木材(易皺縮木材)在FSP以上隨水分的減少會產生收縮變形，尾巨桉就是這種容易皺縮的木材。由圖5可知，尾巨桉木材在FSP以上時，無論冷凍干燥還是常規(guī)干燥都產生了變形，而這部分變形是由細胞的皺縮而產生，即細胞本身產生了內潰變形。但是冷凍干燥變形小于常規(guī)干燥，這主要是因為冷凍干燥過程木材內部的水被凍結成冰，干燥時冰直接升華為水蒸氣，不產生毛細管張力，進而有效地抑制了木材的皺縮。同時，由圖5可知，冷凍干燥的全干干縮率是常規(guī)干燥的84%，其主要原因也是高含水率階段木材產生的皺縮較小，沒有累積到最后的干縮當中。

圖4 連續(xù)及間歇干燥過程中應力變化

圖5 冷凍干燥與常規(guī)干燥面積干縮率對比

3 結論

(1)尾巨桉冷凍干燥速度是常規(guī)干燥的1.3倍。與常規(guī)干燥相比，FSP以上干燥速度差別不大，FSP以下干燥速度提高近50%。

(2)整個干燥過程冷凍干燥的含水率梯度都大于常規(guī)干燥，且隨含水率的降低呈現先增加后減小的趨勢。冷凍干燥含水率梯極值的出現晚于常規(guī)干燥。

(3)桉木冷凍干燥過程各含水率階段的干燥應力小于常規(guī)干燥，干燥應力波動較小。

(4)桉木冷凍干燥過程干縮率小于常規(guī)干燥，絕干干縮率是常規(guī)干燥的84%。冷凍干燥是冰氣升華干燥，能夠有效抑制桉木因毛細管張力而引起的皺縮。