闊葉桉小試件木材干燥過(guò)程水分及干縮變化規(guī)律

黃 娜， 劉洪海

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)木材的需求越來(lái)越大，然而我國(guó)森林資源，尤其是天然林資源匱乏。因此，人工林的深加工利用變得越來(lái)越重要。桉樹(shù)是我國(guó)主要的人工林樹(shù)種，因其生長(zhǎng)快、材質(zhì)較好，已經(jīng)獲得廣泛的重視[1-3]。桉木加工利用的前提是提高干燥質(zhì)量，降低干燥過(guò)程產(chǎn)生的變形、開(kāi)裂等問(wèn)題。目前，常規(guī)窯干[4-5]是木材最為常用的干燥方式，已經(jīng)在桉木干燥上得到應(yīng)用，但干燥過(guò)程容易產(chǎn)生皺縮，因此可以嘗試?yán)鋬龈稍颷6-7]和低溫干燥[8]來(lái)減少桉木的皺縮問(wèn)題。此外，熱處理等改性方法可以提高木材的尺寸穩(wěn)定性[9]，也可以在桉木上進(jìn)行嘗試。

人工林桉木的高效、高值利用還需要在設(shè)計(jì)、制造、文化等方面做深入系統(tǒng)的研究[10-16]。還可以從兒童家具[17-18]和老年家具[19-21]產(chǎn)品入手，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)特定人群的家具或家居產(chǎn)品來(lái)開(kāi)拓市場(chǎng)。

為了提高桉木的利用效率和附加值，必須提高桉木的干燥質(zhì)量。而木材的干燥質(zhì)量與干燥過(guò)程的水分傳遞及干縮密切相關(guān)，研究小木材試件的干燥有利于了解木材的水分變化與干縮變形的關(guān)系。本研究以闊葉桉(EucalyptusplatyphyllaF.V.Muell)小尺寸試件為研究對(duì)象，測(cè)量其干燥過(guò)程水分變化和干縮變形，研究水分變化和干縮變形的規(guī)律，為桉木干燥工藝優(yōu)化提供實(shí)踐參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

人工林闊葉桉(EucalyptusplatyphyllaF.V.Muell)木材，產(chǎn)自廣西省。原木采伐后將兩端蠟封，用塑料薄膜包裹密封。運(yùn)到南京林業(yè)大學(xué)后立即加工成1 000 mm×20 mm×20 mm和1 000 mm×30 mm×30 mm的木條，木條繼續(xù)用塑料薄膜包裹密封后放入冰柜冷藏保存。試件截鋸示意圖如圖1所示，試驗(yàn)開(kāi)始前將1 000 mm長(zhǎng)桉木從端部開(kāi)始先鋸截下50 mm厚木塊，然后依次鋸截首尾連接的7塊試件，試件規(guī)格為20 mm×20 mm×20 mm，編號(hào)分別為1～7。

圖1 試件截鋸示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

烘干設(shè)備：鼓風(fēng)干燥箱DHG-905386-Ⅲ)，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；數(shù)顯電子天平(FA2004，0.001 g)，上海精密儀器有限公司；游標(biāo)卡尺，精度0.01 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 干燥試驗(yàn)

小試件的干燥試驗(yàn)在烘箱內(nèi)進(jìn)行，首先測(cè)量并記錄編號(hào)試件的質(zhì)量和弦、徑及長(zhǎng)度方向的尺寸，然后把小試件放到烘箱內(nèi)部，設(shè)置烘箱溫度為50 ℃，開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)烘箱內(nèi)溫度升高到設(shè)定溫度后，開(kāi)始計(jì)算干燥時(shí)間，試件在2 h及4 h后分別取出進(jìn)行質(zhì)量和尺寸的測(cè)量，最后放入烘箱內(nèi)，把烘箱溫度設(shè)置成103 ℃，對(duì)試件進(jìn)行絕干試驗(yàn)。

1.3.2 試件含水率測(cè)量

小試件的初含水率及干燥過(guò)程的含水率均按照GB/T1931-2009用烘干法測(cè)量，按式(1)計(jì)算試件各階段的含水率。

MC=(mi-m0)/m0×100%

(1)

式中：MC為試件各階段的含水率(%)；mi為干燥過(guò)程各階段質(zhì)量(g)；m0為試件絕干重(g)。

1.3.3 試件干燥速率測(cè)量

小試件干燥過(guò)程的含水率按照式(2)計(jì)算。

R=(MCi-MCf)/t×100%

(2)

式中：R為樣品的干燥速率(%·h-1)；MCi為試件的初含水率(%)；MCf為試件的終含水率(%)；t為樣品干燥總時(shí)長(zhǎng)(h)。

1.3.4 試件的干縮率測(cè)量

按照干燥2 h及4 h后取出試件所測(cè)量的數(shù)據(jù)，依據(jù)式(3)計(jì)算各個(gè)含水率點(diǎn)對(duì)應(yīng)弦、徑向干縮率。絕干干縮率是試件烘至絕干時(shí)的最大干縮率。

S=(Li-Lf)/Li×100%

(3)

式中：S為試件干燥過(guò)程的干縮率(%)；Li為試件弦、徑及長(zhǎng)度方向的原始尺寸(mm)；Lf為試件弦、徑及長(zhǎng)度方向干燥過(guò)程的尺寸(mm)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件干燥過(guò)程含水率變化

各個(gè)小試件的初含水率(0 h)、干燥2 h及4 h后的含水率情況如圖2所示。由圖1可知，試件1～7是同一根木按條首尾相連的順序編號(hào)、鋸截，但其初含水率差異依然較大，其中，1號(hào)試件最大，含水率為78.56%，7號(hào)試件最小，含水率為64.04%，極差為14.52%。因此，試件長(zhǎng)度方向的含水率分布不均勻，1 000 mm長(zhǎng)木條的端部含水率較高。隨著干燥的進(jìn)行，2 h及4 h后各試件之間的含水率差異逐漸減小，這個(gè)趨勢(shì)可以由圖2中的2 h及4 h各個(gè)點(diǎn)的曲線可以看出。

圖2 各試件干燥過(guò)程含水率變化

各個(gè)小試件及其平均含水率的含水率—時(shí)間曲線(干燥曲線)如圖3及圖4所示。從圖3可以看出，各個(gè)試件的初含水率不同，其干燥過(guò)程含水率下降的趨勢(shì)也不同，有快有慢。對(duì)比圖4，各個(gè)小試件的含水率下降也具有相同的部分。即，干燥前2 h，含水率下降快，干燥曲線斜率大；干燥的后2 h，含水率下降慢，干燥曲線斜率小。前2 h，各試件的含水率大于纖維飽和點(diǎn)(FSP)，主要是木材中的自由水在毛細(xì)管張力的驅(qū)動(dòng)下向外遷移，遷移阻力小，水分排除的快，干燥曲線陡；而干燥2 h后，木材的平均含水率下降至FSP以下，即木材的某些部位，尤其木材的表層部位已經(jīng)沒(méi)有自由水，木材中的吸著水開(kāi)始干燥，吸著水的束縛力較大，遷移阻力大，因此水分排除的慢，干燥曲線變緩。

圖4 干燥過(guò)程小試件平均含水率-時(shí)間曲線

圖3中的誤差棒為各個(gè)小試件初含水率(0 h)及干燥后2 h和4 h的含水率差異情況。干燥初期試件的誤差棒比較大，但隨著干燥的進(jìn)行，誤差棒在2 h及4 h后逐漸變小，表明各個(gè)試件之間的含水率差異也逐漸變小。

圖3 各小試件干燥過(guò)程含水率-時(shí)間曲線

2.2 試件干燥過(guò)程的干燥速度

各個(gè)試件的干燥2 h及4h后的干燥速率情況如圖5所示。由圖5可以看出，前2 h各個(gè)試件的干燥速率及平均干燥速率明顯高于后2 h。結(jié)合圖2可以看出，各個(gè)試件的初含水率不一致，其相同時(shí)間內(nèi)的干燥速率也不相同。干燥前2 h，盡管試件1、2、3的初含水率不同，但其干燥速率大致相同，而4～7的含水率雖有差異，但其干燥速率的差異很大，尤其是試件5。但干燥4 h后，試件1、2、3干燥速率出現(xiàn)較大波動(dòng)，尤其是試件2，干燥速率明顯變小，而試件4～7的干燥速率則趨于一致。因此，受試件初含水率及自身特征的影響，各個(gè)試件的實(shí)際干燥速率具有差異。

圖5 各試件干燥過(guò)程干燥速率變化

2.3 試件干燥過(guò)程的干縮變化特征

各個(gè)試件干燥過(guò)程不同含水率階段弦向、徑向的干縮曲線如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可以看出，總體來(lái)說(shuō)，在各個(gè)含水率階段，弦向的干縮大于徑向。但各個(gè)試件隨含水率的下降，其干縮表現(xiàn)不一致，有的甚至差異很大，尤其在含水率高于纖維飽和點(diǎn)(FSP)時(shí)，各個(gè)試件的干縮差異較大。木材通常在FSP以下才開(kāi)始收縮，但本試驗(yàn)?zāi)静脑诟吆孰A段已經(jīng)開(kāi)始收縮，主要是因?yàn)殚熑~桉也是一種容易產(chǎn)生皺縮的木材樹(shù)種，F(xiàn)SP以上的干縮是由木材細(xì)胞的皺縮產(chǎn)生所致?？梢钥闯龈鱾€(gè)試件隨干燥的進(jìn)行其皺縮程度各異。

圖6 試件干燥過(guò)程干縮曲線(弦向)

圖7 試件干燥過(guò)程干縮曲線(徑向)

各個(gè)試件的平均含水率-干縮曲線如圖8所示。同樣的趨勢(shì)可以在圖8中看出，圖8中的誤差棒是反映各個(gè)試件各含水率階段干縮的差異大小?？梢钥闯?，弦向干縮差異在40%左右時(shí)最大，表明各個(gè)試件在這個(gè)階段的皺縮變化情況也最大。而徑向各誤差棒則相對(duì)較小，表明徑向各皺縮變化小于弦向。

圖8 試件干燥過(guò)程平均干縮曲線(弦：T、徑向：R)

2.4 試件干縮率變化特征

各個(gè)試件各含水率階段干縮率的對(duì)比如圖9所示?？梢钥闯龈鱾€(gè)試件各含水率階段的干縮率差異較大，尤其是干燥2 h后，木材含水率在40%左右，這個(gè)階段木材試件發(fā)生皺縮，皺縮的不均勻?qū)е略嚰母煽s變化各異，差異較大。試件干燥至含水率為20%以下，包括絕干時(shí)，其干縮率差異變小。纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)木材的正常干縮，其干縮變形大體一致，影響試件干縮大小的是前期的皺縮導(dǎo)致的干縮變形。因此，可以看出高含水率階段產(chǎn)生的皺縮變形隨著干燥的進(jìn)行，已經(jīng)有一部分回復(fù)，進(jìn)而導(dǎo)致最后絕干干縮率差異變小。

圖9 試件干燥2 h、4 h后及絕干干縮率(弦向)

3 結(jié)論

(1)盡管試件取自同一根木材，各試件的初含水率差異較大，干燥過(guò)程含水率差異逐漸減小試件終含水率趨于均勻。

(2)FSP以上時(shí)各試件干燥速率快，之后干燥速率變慢。干燥過(guò)程各試件含水率下降速率差異較大。

(3)高含水率階段，各試件因木材產(chǎn)生皺縮引起的干縮差異較大，尤其在弦向上干縮差異明顯。在FSP以下時(shí)，高含水率階段產(chǎn)生的皺縮有部分產(chǎn)生回復(fù)，試件弦向干縮率差異變小。