干燥處理杉木木材的干縮濕脹性質

蔣佳荔 ，呂建雄

(1.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091； 2.國家林業(yè)局 木材科學與技術重點實驗室, 北京100091；3.中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)新技術研究所，北京 100091)

干燥處理杉木木材的干縮濕脹性質

蔣佳荔1，2，3，呂建雄1，2

(1.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091； 2.國家林業(yè)局 木材科學與技術重點實驗室, 北京100091；3.中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)新技術研究所，北京 100091)

研究分別采用高溫干燥、低溫干燥和真空冷凍干燥方法對杉木人工林木材進行干燥處理，測定了3種干燥處理材的干縮率和差異干縮，并在33%和85%相對濕度條件下分別測定了3種干燥處理材的濕脹率、差異濕脹和水分吸著率。結果表明：1）3種干燥處理材之間的干縮率、濕脹率和水分吸著率差異顯著，均表現(xiàn)為：真空冷凍干燥處理材＞低溫干燥處理材＞高溫干燥處理材；2）高溫干燥處理材和低溫干燥處理材的差異干縮顯著高于真空冷凍干燥處理材的差異干縮，前二者之間差異干縮的差異不顯著；3）在33%相對濕度下，真空冷凍干燥處理材的差異濕脹顯著高于其它2種干燥處理材的差異濕脹，在85%相對濕度下的情況則相反。

杉木；干燥處理材；干縮；濕脹；水分吸著率

干縮濕脹是木材加工利用中的一大問題，木材因其干縮濕脹發(fā)生尺寸和體積的變化，因干縮不均引起木材開裂、翹曲等缺陷。采用干燥方法將木材的含水率降低至與外界環(huán)境濕度相適應的平衡含水率之下，能有效控制木材隨外界環(huán)境濕度改變而發(fā)生的尺寸變化。近年來，人們圍繞著木材干縮濕脹與解剖構造的關系[1]、木材干縮濕脹與平衡含水率的關系[2-4]、木材干縮濕脹與比重的關系[5]、木材干縮濕脹的各向異性[2,6]、木材干縮濕脹的株內變異性[7-8]、抽提處理對木材干縮濕脹的影響[9-11]等方面開展了大量的研究工作。但有關干燥方法與木材干縮濕脹性質之間關系的研究報告并不多見。

為了弄清楚不同干燥方法對木材干縮濕脹性質的影響，本研究采用高溫干燥（115℃）、低溫干燥（65℃）和真空冷凍干燥3種方法對木材進行干燥處理，分別測定3種干燥處理材的干縮率和差異干縮，然后在2個恒定的相對濕度環(huán)境下，測定不同干燥處理材的濕脹率、差異濕脹和水分吸著率，以考察3種干燥處理材之間干縮濕脹性質的差異，并討論了引起差異的原因。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

試驗材料采用江西產(chǎn)杉木Cunninghamia lanceolata 的心材，生材含水率約為86%，平均基本密度為0.272 g·cm-3。圖1為試樣鋸解示意圖，將原木鋸解，取斷面為120 mm（徑向）× 50 mm（弦向）的帶髓心徑切板材（見圖1a）；從髓心沿木材軸向將板材一分為二，得到2根試條（見圖1b）；在一根試條上沿弦向和軸向連續(xù)鋸取弦向厚度為5 mm的軸向干縮/濕脹測定試樣48塊，尺寸為60 mm(軸向)× 30 mm(徑向)× 5 mm(弦向)(見圖1c)；在另一根試條上沿軸向連續(xù)鋸取軸向厚度為5 mm的橫向干縮/濕脹測定試樣48塊，尺寸為：5 mm（軸向）× 30 mm（徑向）× 30 mm（弦向）（見圖1d）。以上試樣均無節(jié)子和缺陷。

圖 1 試樣鋸解示意Fig.1 Sawing method for specimens

1.2 初始測量試驗

在軸向干縮/濕脹試樣的軸向-徑向相對面中心處標記測量點，在橫向干縮/濕脹試樣的徑向-弦向相對面中心處標記測量點。采用電子數(shù)字式游標卡尺（MAX-CAL型）分別測量軸向（軸向干縮/濕脹試樣）、徑向和弦向（橫向干縮/濕脹試樣）的初始尺寸Lmax，精確至0.001 mm；采用電子天平（日本島津 AY220型）稱量試樣初重Wmax，精確至0.001 g。然后將試樣進行干燥處理。

1.3 干燥處理試驗

進行高溫干燥、低溫干燥和真空冷凍干燥的軸向、橫向干縮/濕脹測定試樣數(shù)分別為16塊。高溫干燥和低溫干燥均在恒溫干燥箱（DX-400）中進行。高溫干燥溫度為115℃，干燥時間為18 h；低溫干燥溫度為65℃，干燥時間為42 h。進行真空冷凍干燥時，首先將試樣置于-29℃的低溫冰箱中預凍24 h，取出后在真空冷凍干燥機（FTS systems）中進行干燥，冷凝溫度為-49℃，升華發(fā)生時的真空度為16.5 Pa，干燥時間為46 h。在本試驗條件下，經(jīng)高溫干燥、低溫干燥和真空冷凍干燥后，所有試樣均達到絕干狀態(tài)。測量軸向、徑向和弦向的尺寸L0并稱量絕干重W0。

1.4 水分吸著試驗

采用飽和鹽溶液調濕法，分別利用氯化鎂和硝酸鉀在干燥器中調制2個恒溫恒濕環(huán)境，溫度保持18～22℃，獲得的相對濕度環(huán)境分別為33%和85%。首先將絕干狀態(tài)的高溫干燥處理材、低溫干燥處理材和真空冷凍干燥處理材試樣置于33%的相對濕度環(huán)境中進行吸濕，當試樣在24 h內的質量變化小于其絕干質量的0.1%時，可認為試樣達到含水率平衡態(tài)。取出試樣測量其軸向、徑向和弦向的尺寸L33%，稱量質量W33%。然后再將以上試樣置于85%的相對濕度環(huán)境中進行吸濕，達到水分平衡狀態(tài)后再次進行尺寸測量和稱重，得到L85%和W85%。

1.5 干縮濕脹參數(shù)的計算

（1）干燥處理材全干縮率（βmax）的計算：

式（1）中，βmax為試樣（軸向/徑向/弦向）的全干縮率，（單位：%）；Lmax為干燥處理前試樣（軸向/徑向/弦向）的尺寸，（單位：mm）；L0為干燥處理后試樣（軸向/徑向/弦向）的尺寸，（單位：mm）。

（2） 在33%相對濕度環(huán)境中干燥處理材濕脹率（ε0→33%）的計算：

式（2）中，ε0→33%為絕干試樣在33%相對濕度環(huán)境中（軸向/徑向/弦向）的濕脹率，（單位：%）；L33%為試樣在33%相對濕度環(huán)境中達到平衡含水率時（軸向/徑向/弦向）的尺寸，（單位：mm）。

（3） 在33%相對濕度環(huán)境中干燥處理材水分吸著率（W0→33%）的計算：

式（3）中，W0→33%為絕干試樣在33%相對濕度環(huán)境中的水分吸著率，（單位：%）；W33%為試樣在33%相對濕度環(huán)境中達到平衡含水率時的質量，（單位：g）；W0為經(jīng)干燥處理后試樣的絕干質量，（單位：g）。

（4） 在85%相對濕度環(huán)境中干燥處理材濕脹率（ε0→85%）的計算：

式（4）中，ε0→85%為絕干試樣在85%相對濕度環(huán)境中（軸向/徑向/弦向）的濕脹率，（單位：%）；L85%為試樣在85%相對濕度環(huán)境中達到平衡含水率時（軸向/徑向/弦向）的尺寸，（單位：mm）。

（5）在85%相對濕度環(huán)境中干燥處理材水分吸著率（W0→85%）的計算：

式（5）中，W0→85%為絕干試樣在85%相對濕度環(huán)境中的水分吸著率，（單位：%）；W85%為試樣在85%相對濕度環(huán)境中達到平衡含水率時的質量，（單位：g）。

（6）差異干縮/濕脹的計算：

為木材試樣弦向干縮/濕脹率與徑向干縮/濕脹率的比值。

1.6 統(tǒng)計分析方法

利用SAS軟件進行方差分析，用Duncan法進行多重比較，并用字母法標記。

2 結果與分析

2.1 干燥處理材的干縮性質

由圖2可知，3種干燥處理材的軸向干縮率遠小于徑、弦向的干縮率，弦向干縮率約為徑向干縮率的2倍。木材干縮各向異性的主要原因是木材細胞壁次生壁S2層微纖絲的排列方向幾乎與細胞主軸相平行，只微具夾角，當微纖絲由于失水而相互靠攏時，軸向的干縮很小，橫紋方向的干縮很大。研究者們將木材徑向干縮與弦向干縮差異的原因歸結為以下幾點：木射線對徑向干縮的抑制；早、晚材相互作用對弦向干縮的貢獻；木材細胞徑、弦面壁紋孔數(shù)量的差異及紋孔周圍微纖絲的排列方向所引起的徑、弦向干縮差異[12]。

從圖2A可以看出，在軸向，高溫干燥處理材的干縮率顯著低于低溫干燥處理材和真空冷凍干燥處理材的干縮率；在徑向和弦向，3種干燥處理材的干縮率之間差異顯著，高溫干燥處理材的干縮率最小，真空冷凍干燥處理材的干縮率最大。分析其中的原因，在高溫干燥過程中，木材在溫度作用下，表層水分開始蒸發(fā)，產(chǎn)生收縮，由于含水率梯度的存在以及溫度的作用使得處于受拉狀態(tài)的表層失去了部分彈性形變的能力，而固定在初期的拉伸狀態(tài)，形成不可逆的塑性變形；表層以下的木材，含水率降至纖維飽和點以下時，將發(fā)生干縮，由于經(jīng)高溫干燥處理的木材表層比經(jīng)低溫干燥處理的木材表層塑性變形大。因此，高溫干燥處理材的干縮率比低溫干燥處理材的干縮率小，這與Bengtsson和Betzold[13]的研究結果是一致的。真空冷凍干燥，是在水的三相點以下，即在低溫低壓條件下，使木材中凍結的水分升華而脫去。在這個過程中，首先是木材中的水形成冰晶，發(fā)生體積膨脹，冰晶升華時，細胞壁易發(fā)生皺縮，干縮增大，甚至引起木材細胞壁破壞[14-16]，Lu等人[17]也曾通過掃描電子顯微鏡觀察到經(jīng)真空冷凍干燥后的木材細胞壁出現(xiàn)裂縫。

從圖2B中可以看出，真空冷凍干燥處理材的差異干縮顯著低于其它2種干燥處理材的差異干縮，說明真空冷凍干燥處理材的干縮均勻性較好。高溫干燥處理材和低溫干燥處理材的差異干縮較大的原因是：干燥過程中木材表面產(chǎn)生不同程度的硬化，阻礙水分的排出，使得干縮不均勻，差異干縮增大。

圖2 不同干燥處理對木材干縮率（A）和差異干縮（B）的影響Fig. 2 Effects of drying treatments on wood shrinkage and differential shrinkage注：同一列中平均值上的不同小寫字母表示在P ＜ 0.05水平上干燥處理之間有顯著差異，以下同。

2.2 干燥處理材的濕脹性質

2.2.1 絕干狀態(tài) → 33%RH平衡態(tài)

在從絕干狀態(tài)到33%RH平衡狀態(tài)的水分吸著過程中，干燥處理材的濕脹率詳見圖3A。從圖中可以看出，3種干燥處理材的軸向濕脹率均明顯低于徑、弦向的濕脹率。3種干燥處理材濕脹率之間差異的無規(guī)律性體現(xiàn)在：軸向上，真空冷凍干燥處理材的濕脹率顯著低于高溫干燥處理材和低溫干燥處理材；在徑向，3種干燥處理材濕脹率之間的差異不顯著；在弦向，3種干燥處理材之間的濕脹率差異顯著，其中，真空冷凍干燥處理材的濕脹率最大。推測引起這種無規(guī)律性的原因是由于在低相對濕度環(huán)境中，木材處于吸濕的初期階段，其含水率低，水分在木材內的分布不均勻，從而導致木材濕脹也不均勻。

從圖3B中可以看出，真空冷凍干燥處理材的差異濕脹顯著高于其它2種干燥處理材，說明真空冷凍干燥處理材在低相對濕度環(huán)境（33%RH）中發(fā)生濕脹的均勻性較差。3種干燥處理材水分吸著率之間的差異顯著（見圖3C），真空冷凍干燥處理材的水分吸著率最大，這是由于真空冷凍干燥過程中，木材細胞壁發(fā)生了一定程度的破壞開裂，使得木材細胞壁中的吸著區(qū)域增多，致使其吸濕性增大。高溫干燥處理材的水分吸著率最低，一般認為是因為高溫干燥過程中吸濕性較高的半纖維素降解為吸濕性較低的物質，如糠醛[18-19]。

圖3 33%RH平衡態(tài)下不同干燥處理對木材濕脹率（A）、差異濕脹（B）和水分吸著率（C）的影響Fig. 3 Effects of drying treatments on wood swelling, differential swelling and moisture adsorption at 33%RH equilibrium state

2.2.2 絕干狀態(tài) → 85%RH平衡態(tài)

在從絕干狀態(tài)到85%RH平衡狀態(tài)的水分吸著過程中，3種干燥處理材的濕脹率詳見圖4A。從圖中可以看出，干燥處理材的軸向濕脹率明顯低于徑、弦向濕脹率。在軸向，3種干燥處理材的濕脹率無顯著差異；在徑向和弦向，不同干燥處理材濕脹率之間差異具有規(guī)律性：3種干燥處理材之間的差異均顯著，其中，真空冷凍干燥處理材的濕脹率最大，高溫干燥處理材的濕脹率最小。這表明，經(jīng)高溫干燥后木材的尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于低溫干燥處理材和真空冷凍干燥處理材，其中，真空冷凍干燥處理材的尺寸穩(wěn)定性最差。對于差異濕脹（見圖4B），高溫干燥處理材與低溫干燥處理材之間無顯著差異，真空冷凍干燥處理材的差異濕脹顯著低于其它2種干燥處理材。從圖4C中可以看出，3種干燥處理材水分吸著率之間的差異顯著，真空冷凍干燥處理材的水分吸著率最大，高溫干燥處理材的水分吸著率最小。

圖4 85%RH平衡態(tài)下不同干燥處理對木材濕脹率（A）、差異濕脹（B）和水分吸著率（C）的影響Fig. 4 Effects of drying treatments on wood swelling, differential swelling and moisture adsorption at 85%RH equilibrium state

2.2.3 33%RH和85%RH平衡態(tài)下木材濕脹性質的比較

關于濕脹率（見圖3A和圖4A），在高相對濕度條件下木材的濕脹率明顯高于低相對濕度條件下的濕脹率。這是因為隨著環(huán)境相對濕度的增加，木材細胞壁吸著水分子層的層數(shù)增加，水分潤脹木材無定形區(qū)，使得木材的濕脹率增加。

關于差異濕脹（見圖3B和圖4B），在2個相對濕度水平下，真空冷凍干燥處理材的差異濕脹比較接近，說明真空冷凍干燥處理材的差異濕脹受含水率變化的影響較小。高溫干燥處理材與低溫干燥處理材差異濕脹的情況較為相似，均隨著含水率的增加明顯增大。在33%RH平衡態(tài)，真空冷凍干燥處理材的差異濕脹明顯高于其它2種干燥處理材，而在85%RH平衡態(tài)，情況則相反。由此可以認為，高溫干燥處理材和低溫干燥處理材在低相對濕度環(huán)境下發(fā)生濕脹的均勻性較好，而在高相對濕度環(huán)境中則是真空冷凍干燥處理材發(fā)生濕脹的均勻性較好。

關于水分吸著率（見圖3C和圖4C），在33%RH平衡態(tài)，3種干燥處理材的水分吸著率為3% ～ 6%；在85%RH平衡態(tài)，3種干燥處理材的水分吸著率升至14% ～ 16%，高相對濕度條件下的水分吸著率約為低相對濕度條件下水分吸著率的3～ 4倍，分析其中的原因：一方面，木材細胞壁的纖維素和半纖維素等化學成分結構中具有許多自由羥基，它們在一定溫度和濕度條件下具有很強的吸濕能力，可借助分子間力和氫鍵力將環(huán)境中的水蒸氣分子吸引于其上，生成多分子層，從而形成一部分吸附水。水層的厚度隨空氣相對濕度的變化而變化，空氣相對濕度越高，所吸附的水層厚度越厚，直至達到它所適應的厚度；另一方面，木材內微毛細管系統(tǒng)的存在使得木材具有吸附性和毛細管凝結現(xiàn)象，在低的空氣相對濕度條件下，只能在木材內較小的微毛細管中發(fā)生水蒸氣凝結，隨著相對濕度的增大，就會在直徑較大的微毛細管中發(fā)生水蒸氣凝結，因此水分吸著率提高[12]。真空冷凍干燥處理材的水分吸著率顯著高于高溫干燥處理材和低溫干燥處理材的水分吸著率，推測是因為真空冷凍干燥處理材中的自由羥基數(shù)比較多。此外，木材細胞壁的破壞或微裂紋的存在也會增加水蒸氣的凝結，因此其水分吸著率高。

3 結 論

（1）3種干燥處理材的干縮率和濕脹率在木材3個主方向上的表現(xiàn)為：弦向＞徑向＞軸向。

（2）3種干燥處理材之間干縮率的差異顯著，均表現(xiàn)為：真空冷凍干燥處理材＞低溫干燥處理材＞高溫干燥處理材。高溫干燥處理材干縮率低的原因在于：高溫干燥過程中，溫度梯度與含水率梯度的方向不一致使得處于受拉狀態(tài)的木材表層發(fā)生塑性變形，限制了表層以下各層木材的干縮。真空冷凍干燥過程中，木材細胞壁易發(fā)生皺縮甚至破壞，是真空冷凍干燥處理材干縮率高的原因。

（3）高溫干燥處理材和低溫干燥處理材的差異干縮顯著高于真空冷凍干燥處理材的差異干縮，前二者之間差異干縮的差異不顯著。在高溫干燥和低溫干燥過程中，木材表面產(chǎn)生不同程度的硬化，使得干縮不均勻，是引起差異干縮增大的原因。

（4）3種干燥處理材之間的濕脹率、水分吸著率差異顯著，均表現(xiàn)為：真空冷凍干燥處理材＞低溫干燥處理材＞高溫干燥處理材。高溫干燥處理材的濕脹率和水分吸著率最低，是由于高溫干燥過程中吸濕性較高的半纖維素降解為吸濕性較低的物質所致；真空冷凍干燥處理材的濕脹率和水分吸著率最高，是因為在真空冷凍干燥過程中，木材細胞壁發(fā)生了一定程度的破壞，細胞壁中的吸著區(qū)域增多所引起的。

（5）在低相對濕度（33%RH）下，真空冷凍干燥處理材的差異濕脹顯著高于高溫干燥處理材和低溫干燥處理材的差異濕脹，在高相對濕度（85%RH）下的情況則相反。

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Shrinkage-swelling properties of dried Chinese fir woods

JIANG Jia-li1,2,3, LU Jian-xiong1,2
(1.Research Institute of Wood Industry, CAF, Beijing 100091, China; 2. Key Laboratory of Wood Science and Technology of State Forestry Administration, Beijing 100091, China; 3.Research Institute of New Technology, CAF, Beijing 100091, China)

∶ Chinese fir（Cunninghamia lanceolata）plantation wood samples were dried by high-temperature drying（HTD）, lowtemperature drying（LTD）and freeze-vacuum drying（FVD）methods. The shrinkage and differential shrinkage of the dried woods specimens were measured under the condition of completely dried. The swelling, differential swelling and moisture adsorption of three kinds of dried woods were also tested and analyzed at equilibrium state of 33% RH and 85% RH, respectively. The results show that there were significant differences in shrinkage, swelling and moisture adsorption among three kinds of dried woods. The shrinkage,swelling and moisture adsorption of HTD wood were minimal and those of FVD wood were maximal. The differential shrinkage of FVD wood was obviously lower than that of HTD and LTD woods. There was no significant difference in differential shrinkage between HTD and LTD wood. The differential swelling of FVD wood was obviously higher than that of other two kinds of dried woods in 33% RH environment, while the situations were reverse in 85% RH environment.

∶ Chinese fir; dried wood; shrinkage; swelling; moisture adsorption

S781.2；S781.5

A

1673-923X (2012)06-0152-06

2012-01-17

國家青年科學基金項目（31000266）；中國林業(yè)科學研究院林業(yè)新技術所基本科研業(yè)務費專項基金（CAFINT2010C01）

蔣佳荔（1981—），女，湖南桃江人，博士，助理研究員；主要研究方向為木材物理；Email : jialiwood@caf.ac.cn

呂建雄（1963—），男，湖南邵陽人，博士，研究員，博士生導師；主要研究方向為木材物理；Email:jianxiong@caf.ac.cn

[本文編校：羅 列]