圓竹氣干過程的物理特征變化

韓 健，羅 丹

圓竹氣干過程的物理特征變化

韓 健，羅 丹

(中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004)

對毛竹和慈竹在氣干過程中和物理特征進行了檢測研究。研究結(jié)果表明：在氣干過程前期，毛竹與慈竹的重量、竹壁厚度變化較大，在干燥后期則變化很小，毛竹內(nèi)部水分蒸發(fā)比較平穩(wěn)，慈竹內(nèi)部水分蒸發(fā)的階段性變化較明顯，慈竹在厚度方向的收縮比毛竹大，且竹材的收縮在干燥開始階段（高含水率狀態(tài)）即已發(fā)生。在氣干過程中，兩種竹材的直徑變化均很小，毛竹直徑的變化比較平緩，慈竹直徑的變化則在干燥前期較大，干燥后期很小，總體上毛竹直徑的變化率稍大于慈竹，由于圓竹直徑變化較小，圓竹氣干不易發(fā)生開裂。

毛竹；慈竹；氣干；物理特征

我國竹材資源豐富，種類繁多，現(xiàn)有竹子40余屬，500余種，竹林分布達480余萬。目前我國的竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展居于世界領(lǐng)先水平。在對竹材的利用中，竹材干燥是一個十分重要的環(huán)節(jié)，它直接影響到竹材和竹材產(chǎn)品的性能。國內(nèi)外對竹材干燥進行了多方面研究[1-4]，孫照斌[5]對竹材縱向、徑向和弦向干燥速度的研究表明，高溫干燥速度快，但竹材干縮率和變形較大。吳學旦等[6-7]認為竹壁厚度不同，其干燥速度不同，而且打通圓竹竹節(jié)節(jié)隔可加快干燥速度，并能減少表面開裂。張齊生[8]認為材纖維排列整齊，厚度較小，在干燥過程中不會像木材那樣產(chǎn)生扭曲變形和開裂現(xiàn)象。一般認為，為防止竹材變形或開裂，竹材的干燥溫度不宜過高[9]，但也有研究表明當溫度從60 ℃升高到120 ℃時，竹材沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，原因是高溫干燥降低了竹材內(nèi)部細胞特別是軟組織細胞的強度，使竹材產(chǎn)生皺縮，應力得以釋放[10]。目前對竹材干燥的研究主要集中于竹片和竹條，對圓竹的干燥研究相對較少。毛竹和慈竹在竹材工業(yè)化利用中，是二種應用最廣泛的竹種，本文主要對它們在氣干過程中的主要物理特征進行研究。

1 材料與方法

試驗材料為毛竹Phyllostachys pubescens和慈竹Sinocalamus affinis，毛竹、慈竹均4年生，毛竹采自湖南省益陽市桃江縣；慈竹采自貴州省赤水市。圓竹長度1 300 mm，毛竹平均含水率76﹪，慈竹平均含水率74﹪。根據(jù)圓竹重量、竹壁厚度、圓竹直徑將竹材分為3組，重量組分成1 500～2 000 g、2 000～2 500 g、2 500～3 000 g三個等級；竹壁厚度分成5～6 mm、6～7 mm、7～8 mm三個等級；圓竹直徑分成50～60 mm、60～70 mm、70～80 mm 3個等級。每一組分的每一等級選取5個試樣，并以該5個試樣的平均值作為該等級的物理參數(shù)值，對圓竹的氣干物理特征進行分析。

圓竹氣干在通風良好的室內(nèi)進行，氣干時間從8月21日開始至10月13日止，共52天，使圓竹達到平衡含水率。氣干條件為：室內(nèi)溫度24～36℃，相對濕度46﹪～81﹪。在干燥過程中，每2天定點、定位檢測一次竹材的重量、竹壁厚度和圓竹直徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣干過程圓竹的重量變化

毛竹與慈竹在氣干過程中，雖然不同組分圓竹試件的重量存在一定差異，但就總體情況而言，隨干燥時間延續(xù)，它們的重量變化具有大致相同的規(guī)律（如圖1、圖2所示）。在干燥前期（0～16天），二種竹材的重量變化均比較顯著，而在干燥后期（16～52 d），它們的重量變化很小。但是毛竹與慈竹的重量變化仍然存在較大差異，其一，在干燥前期慈竹的重量變化比毛竹大，而在第16天以后，毛竹的重量變化比慈竹大，表明毛竹的干燥相對比較平穩(wěn)。其二，毛竹與慈竹的不同組分的重量變化也存在一定差異，從圖1和圖2可見，在干燥前期，初始重量較小的組分，其重量變化相對較大，初始重量較大的組分的重量變化相對較小。對2種竹種各自的3個組分，在不同的干燥時間點上的重量取平均值，可得到如圖1、圖2所示的2種竹材氣干重量變化曲線。

通過數(shù)學方法，可建立毛竹與慈竹重量隨干燥時間變化的數(shù)學模型如下：

式（1）～（2）中：y1為毛竹重量，g；y2為慈竹重量，g；x為干燥時間，d，x=1，2，…，52。

圖1 竹材重量隨干燥時間的變化Fig.1 Change of mass of bamboo wood with drying time

圖2 圓竹平均重量變化趨勢Fig.2 Change trend of average mass of round bamboo

圖3 不同組分圓竹的干燥終點脫水率Fig.3 Dehydration ratio of round bamboo of different groups at drying end-point

竹材重量的變化反應了它們在干燥過程中的脫水情況，重量變化越大，表明脫水率越高，圖3反應了毛竹與慈竹達到平衡含水率時（干燥終點）的脫水情況。毛竹與慈竹各組分試件的干燥終點脫水率因初重不同，存在一定差異，但它們干燥終點的平均脫水率基本相同（40﹪左右）。

2.2 氣干過程圓竹竹壁厚度的變化

竹材在干燥過程中由于內(nèi)部水分的蒸發(fā)脫出，竹材會發(fā)生一定的收縮，圖4反應了毛竹和慈竹的竹壁厚度隨干燥時間的變化。由圖4可見，在干燥前期（0～16 d），2種竹材的竹壁厚度都發(fā)生了較明顯的收縮，而在干燥后期，2種竹材的竹壁厚度的收縮都已經(jīng)很小，這與干燥過程竹材的水分蒸發(fā)是相對應的，即竹材的脫水率越高，其竹壁收縮也越大。對二種竹種各自的3個組分，在不同的干燥時間點上竹壁厚度取平均值，可得到如圖4、圖5所示的2種竹材的竹壁厚度隨干燥時間的變化曲線。

圖4 竹壁厚度隨干燥時間的變化Fig.4 Changes of bamboo wall thickness with drying time

通過數(shù)學方法，可建立毛竹與慈竹竹壁厚度隨干燥時間變化的數(shù)學模型如下：

圖5 竹壁平均厚度的變化趨勢Fig.5 Changing trend of average thickness of bamboo wall

式中（3）～（4）：y3為毛竹壁厚度，mm；y4為慈竹壁厚度，mm；x為干燥時間，d，x=1，2，…，52。

在氣干過程中，毛竹與慈竹的竹壁厚度變化存在一定差異（如圖6所示），雖然第1組試件毛竹的厚度變化率稍大于慈竹，但就總體情況而言，慈竹的厚度變化率大于毛竹，表明毛竹在厚度方向的收縮相對慈竹較小。其原因在于毛竹的密度大于慈竹，在相同的干燥條件下慈竹更容易發(fā)生干縮。從圖4和圖5還可看到，2種竹材從干燥開始，竹壁就開始發(fā)生收縮，這與K- TWu 的研究結(jié)論是一致的[10]，表明在竹材內(nèi)部自由水開始蒸發(fā)的同時，竹材細胞壁中的結(jié)合水也發(fā)生了蒸發(fā)[11-12]，這與木材干燥是不同的。

圖6 不同組分圓竹竹壁厚度變化率Fig.6 Changing ratio of bamboo wall thickness of each group round bamboo

竹壁厚度的收縮是圓竹在徑向的收縮，雖然在收縮過程中會產(chǎn)生一定的收縮應力，但由于竹壁在徑向具有較高的抗壓能力，因此這種收縮只引起竹壁厚度變小，而不會發(fā)生開裂。

2.3 氣干過程圓竹直徑的變化

圖7反應了氣干過程中，毛竹與慈竹的直徑隨干燥時間的變化。由圖7可見，在干燥過程中，毛竹與慈竹的直徑變化都比較小，但它們的變化仍然存在一定差異。各組分毛竹試件直徑的變化在整個干燥過程中均比較平緩、均勻；各組分慈竹直徑的變化在干燥前期比較大，干燥后期很小。對2種竹種各自的3個組分，在不同的干燥時間點上圓竹直徑取平均值，可得到如圖8所示的2種竹材的平均直徑隨干燥時間的變化曲線。

圖7 竹材直徑隨干燥時間的變化Fig.7 Changes of bamboo diameter with drying time

圖8 圓竹平均直徑的變化趨勢Fig.8 Changing trend of average diameter of round bamboo

通過數(shù)學方法，可建立毛竹與慈竹直徑隨干燥時間變化的數(shù)學模型如下：

式（5）～（6）中：y5為毛竹直徑，mm；y6為慈竹直徑，mm；x為干燥時間，d，x =1，2，…，52。

就總體情況而言，毛竹直徑的變化率稍大于慈竹（如圖9所示）。圓竹直徑的減小是圓竹竹壁在徑向和弦向收縮的共同結(jié)果，竹壁在徑向具有較高的抗壓能力，但在弦向的抗張能力很弱。當竹壁發(fā)生弦向干縮時，竹壁內(nèi)部會產(chǎn)生一定的弦向拉伸和壓縮應力，當拉伸應力大于竹材的弦向抗張能力時，竹壁就會發(fā)生開裂。在本試驗中，二種圓竹發(fā)生開裂的現(xiàn)象很少，其原因在于圓竹竹壁在其弦向的干縮較小。因此，在對圓竹進行干燥時，只要干燥條件變化不太劇烈，圓竹一般不會發(fā)生開裂現(xiàn)象。

圖9 不同組分圓竹直徑的變化率Fig.9 Changing ratio of diameter of each group round bamboo

3 結(jié) 論

（1）在氣干過程前期，毛竹與慈竹的重量變化比較顯著，在干燥后期重量變化很小。就干燥全過程而言，毛竹內(nèi)部水分蒸發(fā)相對比較平穩(wěn)，慈竹內(nèi)部水分蒸發(fā)的階段性變化較明顯，但2種竹種在干燥終點的平均脫水率基本相同。

（2）在氣干過程前期，2種竹材的竹壁厚度都發(fā)生了明顯收縮，在干燥后期，竹壁厚度的收縮很小。就總體情況而言，慈竹的厚度變化率大于毛竹，表明慈竹在厚度方向的收縮比毛竹大。

（3）從干燥開始，2種圓竹的竹壁就開始發(fā)生了收縮，表明在竹材內(nèi)部自由水開始蒸發(fā)的同時，細胞壁中的結(jié)合水也發(fā)生了蒸發(fā)。竹壁厚度的收縮是一般只引起竹壁厚度變小，而不會發(fā)生開裂。

（4）在干燥過程中，毛竹直徑的變化比較平緩，慈竹直徑的變化在干燥前期較大，干燥后期很小。就總體情況而言，毛竹直徑的變化率稍大于慈竹。由于圓竹直徑變化較小，只要干燥條件變化不太劇烈，圓竹氣干不易發(fā)生開裂。

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Changes of physical characteristics of bamboo in process of air-drying

HAN Jian, LUO Dan
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The physical properties of Phyllostachys pubescens and Sinocalamus affinis，in the process of air drying，were tested and researched. The research results show that the changes of the bamboo weight and bamboo wall thickness were larger in the earlier stage of air drying，but smaller in the later stage of air drying; the moisture in Phyllostachys pubescens evaporated steadily，but the water evaporation of Sinocalamus affinis evidently changed with characteristics of stage，at the same time，the shrink of Sinocalamus affinis,in the thickness direction，was larger than Phyllostachys pubescens，in addition，the bamboo wood in high moisture content state had been shrunk in the beginning stage of air drying. In the process of air-drying the diameters of two kinds of bamboo changed very small,the change of the diameter of Phyllostachys pubescens was more smooth and steady, while that of Sinocalamus affinis was larger in the earlier stage, and lesser in the late stage. The change ratio of diameter of Phyllostachys pubescens, as a whole, was larger a little than that of Sinocalamus affinis. The round bamboo, in general, wouldn’t split because the diameter of round bamboo only occur very little change.

Phyllostachys pubescens; Sinocalamus affinis; air-drying; physical characteristics

S784

A

1673-923X (2012)07-0110-05

2012-04-19

國家“十一五”科技支撐計劃項目（2008BADA9B0202）；中南林業(yè)科技大學人才引進基金項目（104-0133）

韓 ?。?954—）男，湖南懷化人，教授、博士生導師，主要從事木材加工與人造板工藝的研究；

E-mail：hanjianwm@163.com

[本文編校：歐陽欽]