龍腦香木材脫膠干燥一體化研究*

杜洪雙 黃彥慧 黃瓊濤 唐朝發(fā)

（1. 北華大學(xué)吉林省木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 132013； 2.宜華生活科技股份有限公司，汕頭 515834）

龍腦香（Dipterocarpus spp.）俗稱油仔木，分布于東南亞地區(qū)及非洲熱帶[1]，低地濕性雨林的優(yōu)勢(shì)科, 是熱帶雨林特征性樹種[2]。國(guó)內(nèi)龍腦香科樹種主要分布于海南、云南南部[3]、廣西南部和西藏東南部，西藏墨脫及廣西都安是龍腦香科植物分布的北限[4]，龍腦香科樹種徑級(jí)大[5]，大多材質(zhì)堅(jiān)韌、重又硬、耐腐[6]，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，應(yīng)用領(lǐng)域廣，可用于建筑、造船、上等家具、水下工程等[7]。然而，其木材內(nèi)部含有硅石和樹膠，膠黏性能差[8]。若不進(jìn)行脫樹膠處理，就會(huì)如同松木溢脂[9-10]樹膠外溢，污染產(chǎn)品表面，影響產(chǎn)品質(zhì)量。長(zhǎng)期以來，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于松木脫脂技術(shù)的研究，并探索出多種脫脂方法[11-25]。物理法脫脂中，高溫濕熱蒸汽處理加干燥能有效去除松節(jié)油和水分，是比較有效的脫脂方法。但對(duì)脫膠技術(shù)的研究未見報(bào)道。廣東某企業(yè)生產(chǎn)龍腦香地板，產(chǎn)品表面出現(xiàn)不均勻的深色“溢膠痕跡”，影響了產(chǎn)品質(zhì)量。企業(yè)參考蒸煮脫脂技術(shù)，對(duì)龍腦香木材采用“先蒸煮后干燥”的工藝，產(chǎn)品表面質(zhì)量有了很大提高，但產(chǎn)品顏色變深，且蒸煮工藝消耗了大量能源，并增加了后期廢液的處理費(fèi)用。本文對(duì)“脫膠干燥一體化”的干燥工藝進(jìn)行研究，旨在通過調(diào)整工藝減少地板表面“溢膠痕跡”，獲得與該企業(yè)現(xiàn)行“先蒸煮后干燥”工藝生產(chǎn)的地板同等的表面質(zhì)量，且木材表面顏色更接近于天然材。

1 材料與方法

1.1 材料

龍腦香（Dipterocarpus spp.）木材，產(chǎn)地緬甸，規(guī)格970 mm（長(zhǎng)）×147 mm（寬）×24 mm（厚），初含水率為35%～50%，取自于宜華生活科技股份有限公司生產(chǎn)的地板毛料。

1.2 設(shè)備

試驗(yàn)主要儀器與設(shè)備：電熱鼓風(fēng)干燥箱（型號(hào)DHG-9245A），上海一恒科學(xué)儀器有限公司；電子天平（型號(hào)BSA224S-CW），德國(guó)賽多利斯股份公司；1m3可程式恒溫恒濕箱（型號(hào)TSB050），泰仕特儀器（中國(guó)）有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

龍腦香木材的干燥脫膠方法參考松木干燥脫脂法[17]。糖類物質(zhì)是樹膠的主要成分，易溶于水，在木材含水率高于纖維飽和點(diǎn)的高含水率階段，使木材溫度升高，在高溫和自由水共同作用下，樹膠很容易溶于水中，黏度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)。因此要求龍腦香木材初含水率在纖維飽和點(diǎn)以上，這不僅有利于樹膠的溶解，同時(shí)使木材內(nèi)部的水分?jǐn)U散系數(shù)達(dá)到最大，且保持恒定[22]。

研究采用在木材干燥初期，預(yù)熱處理階段，通過調(diào)整干燥介質(zhì)溫度、濕度對(duì)木材進(jìn)行脫膠處理。預(yù)熱處理后的干燥過程采用上述企業(yè)現(xiàn)行的24 mm厚龍腦香干燥基準(zhǔn)（見表1）。

采取通過3 次試驗(yàn)，調(diào)整預(yù)熱處理溫、濕度和保持時(shí)間，探究合理的預(yù)熱處理參數(shù)。3 次預(yù)處理試驗(yàn)方案見表2。

干燥結(jié)束后，嚴(yán)格按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定長(zhǎng)、定寬、定厚、開槽、開榫、涂漆等工藝過程，將干燥后的地板毛料加工成成品地板。參照企業(yè)現(xiàn)行的“先蒸煮后干燥”加工地板工藝生產(chǎn)的地板表面“溢膠痕跡”程度，觀察每次試驗(yàn)的地板表面“溢膠痕跡”情況，以此調(diào)整預(yù)熱處理的溫、濕度和保持時(shí)間，最終獲得優(yōu)化的“脫膠干燥一體化”干燥工藝。

以企業(yè)現(xiàn)行加工地板工藝生產(chǎn)的地板表面“溢膠痕跡”程度作為合格的判定標(biāo)準(zhǔn)，來判別每次試驗(yàn)的成品地板表面是否合格。本文產(chǎn)品合格率是指 “溢膠痕跡”合格的地板數(shù)量與試驗(yàn)地板數(shù)量的百分比。

為敘述方便，下文將企業(yè)現(xiàn)行的“先蒸煮后干燥”加工地板的工藝定義為原工藝，將“脫膠干燥一體化”加工地板的工藝定義為新工藝。

表1 龍腦香木材干燥基準(zhǔn)Tab.1 Drying schedule of Dipterocarpus spp. wood

參考企業(yè)現(xiàn)行24 mm厚龍腦香地板毛料蒸煮工藝，溫度85 ℃、蒸煮時(shí)間24 h，規(guī)定了表2 中預(yù)熱溫度80～90 ℃，預(yù)熱總時(shí)間不低于24 h。表2 中高溫高濕階段（HTHH）相對(duì)濕度高達(dá)94%，目的是為了提高干燥介質(zhì)與木材之間的換熱系數(shù)，加快木材的升溫速度，提高木材心部最終溫度，便于樹膠最大限度地溶于自由水中。低溫低濕階段（LTLH）相對(duì)濕度為84%，以使木材表面有少量水分蒸發(fā)，木材表面產(chǎn)生一定毛細(xì)管張力梯度，促使木材內(nèi)部含有樹膠自由水緩慢地移動(dòng)到木材表面，達(dá)到預(yù)熱處理階段脫膠的目的。然而，毛細(xì)管張力不能過大，否則會(huì)使木材內(nèi)部紋孔閉塞，使含有樹膠的自由水不能順利通過紋孔。

表2 預(yù)熱處理參數(shù)Tab.2 Drying preheating parameters

表2 中3 次試驗(yàn)方案主要差異在于，是否有干燥介質(zhì)溫度高低溫循環(huán)、循環(huán)次數(shù)及高溫高濕階段和低溫低濕階段保持時(shí)間的分配。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝分析對(duì)比

表3 數(shù)據(jù)是對(duì)未經(jīng)蒸煮處理的24 mm厚龍腦香地板毛料，按照表1 中預(yù)熱處理?yè)Q成表2 參數(shù)的干燥基準(zhǔn)干燥后，采用企業(yè)現(xiàn)行地板加工工藝生產(chǎn)的地板測(cè)試數(shù)據(jù)。其中，第一次試驗(yàn)的地板表面“溢膠痕跡”的合格率最低，這可能是由于預(yù)熱處理時(shí)間短，木材內(nèi)部還有大量的樹膠未來得及溶解于自由水中，就進(jìn)入干燥階段，自由水減少，木材內(nèi)部的樹膠從自由水中析出、固化，停留在木材內(nèi)部。

基于第一次試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，第二次和第三次試驗(yàn)中預(yù)熱處理溫度采用了高低溫循環(huán)、循環(huán)次數(shù)為3 次的方法，預(yù)熱時(shí)間加長(zhǎng)（見表2）。高溫高濕階段的作用是使樹膠溶于自由水，低溫低濕階段則是使含有樹膠的自由水向木材表面移動(dòng)。第二次和第三次試驗(yàn)的地板表面“溢膠痕跡”合格率有所增加，且第三次試驗(yàn)的合格率最大，達(dá)到95%。由于預(yù)熱時(shí)間的加長(zhǎng)，木材內(nèi)部樹膠最大限度地溶于自由水中，木材內(nèi)含物降低，堵塞紋孔被打通，使得導(dǎo)管通暢，提高了細(xì)胞的滲透性，疏通了木材內(nèi)部水分移動(dòng)通道，有利于含有樹膠的自由水的移動(dòng)。由于高低溫循環(huán)的作用，木材厚度上形成了內(nèi)高外低的溫度梯度，在保證木材內(nèi)部含水率梯度不大的條件下，使木材內(nèi)部含有樹膠的自由水快速向表面移動(dòng)，達(dá)到高效脫膠的目的。循環(huán)次數(shù)增加是為了木材內(nèi)部樹膠更充分地移動(dòng)到木材表面。第三次試驗(yàn)中提高了低溫低濕階段的保持時(shí)間，主要是為含有樹膠的自由水向表面移動(dòng)的時(shí)間更充分，更加充分地利用溫度梯度的作用，這是合格率顯著提高的主要原因。

3 次試驗(yàn)的干燥周期都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)照組，主要是由于對(duì)照組木材在蒸煮過程中提高了木材的初含水率，相比3 次試驗(yàn)?zāi)静牡某鹾矢吆芏?。另外? 次試驗(yàn)中的預(yù)熱處理的溫度高于對(duì)照組，且第二次和第三次試驗(yàn)中預(yù)熱處理溫度采用高低溫循環(huán)的方法，加快了木材內(nèi)部水分移動(dòng)速度，從而大大縮短了干燥周期。

從地板成品合格率來看，3 次試驗(yàn)中，第三次試驗(yàn)的預(yù)熱處理參數(shù)較佳。因此，可以以第三次試驗(yàn)的預(yù)熱處理工藝作為龍腦香地板毛料“脫膠干燥一體化”優(yōu)化處理工藝。

2.2 表面質(zhì)量對(duì)比

如圖1 所示，新工藝的成品地板與對(duì)照組比較，目視“溢膠痕跡”外觀質(zhì)量沒有明顯差別。

圖1 對(duì)照組與新工藝成品地板表面“溢膠痕跡”質(zhì)量對(duì)比Fig.1 Comparison of face spilled balsam between control group floor and new process floor

新工藝成品地板漆膜附著力略小于對(duì)照組（如圖2），說明新工藝脫膠程度比對(duì)照組小，新工藝還需要進(jìn)一步優(yōu)化。本研究制定的“脫膠干燥一體化”干燥工藝基本能夠達(dá)到企業(yè)的要求。

圖2 對(duì)照組與新工藝成品地板漆膜附著力對(duì)比Fig.2 Comparison of adhesion of film for grid method between control group floor and new process floor

3 結(jié)論

研究以“脫膠干燥一體化”的干燥工藝，改善地板表面“溢膠痕跡”，得出主要結(jié)論如下：

1） 溫度梯度對(duì)龍腦香木材脫膠作用影響顯著。

2） 預(yù)熱處理溫度采用3 次高低溫循環(huán)，其中高溫高濕階段溫度90 ℃、相對(duì)濕度94%；低溫低濕階段溫度80 ℃、相對(duì)濕度84%。第一次循環(huán)高、低溫階段時(shí)間分配，高溫保持時(shí)間為16 h、低溫保持時(shí)間8 h；第二次循環(huán)高、低溫階段時(shí)間分配，高溫保持時(shí)間為14 h，低溫保持時(shí)間10 h；第三次循環(huán)高、低溫時(shí)間分配，高溫保持時(shí)間為12 h，低溫保持時(shí)間12 h。以此預(yù)熱過程替代表1 中預(yù)熱處理后的干燥工藝作為厚度24 mm的龍腦香木材“脫膠干燥一體化”工藝。按照該工藝生產(chǎn)的龍腦香成品地板表面“溢膠痕跡”質(zhì)量合格率可達(dá)到90%以上。

3）研究表明高低溫循環(huán)處理方法可行，但預(yù)熱處理工藝還有待進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)高溫高濕處理龍腦香木材對(duì)樹膠溶于自由水的機(jī)理及定量分析，還有待深入研究。