樹(shù)盤干燥研究綜述

趙景堯，蔡英春，付宗營(yíng)

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

現(xiàn)階段我國(guó)木材需求量增大與木材資源嚴(yán)重匱乏間的矛盾尤其突出。緩解矛盾的有效措施之一是充分高效地利用木材資源，尤其是以人工速生林小徑材、采伐剩余物、間伐材、彎曲樹(shù)木等為原料的劣質(zhì)木材資源。

近年來(lái)人們不斷探索上述資源高效利用的方法，其中將原木橫截成圓盤即樹(shù)盤，干燥后制成菜墩、精美工藝品、立木地板塊等，不僅利用率高，而且在其橫截面上呈現(xiàn)出優(yōu)美花紋，表現(xiàn)出較高的藝術(shù)價(jià)值，因而越來(lái)越受到關(guān)注。但制約該種技術(shù)推廣的是樹(shù)盤的高品質(zhì)干燥。

1 樹(shù)盤干燥研究歷史

1.1 國(guó)外研究歷史

自20世紀(jì)70年代起在國(guó)外就陸續(xù)出現(xiàn)了有關(guān)樹(shù)盤干燥實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道。當(dāng)時(shí)研究對(duì)象主要為大徑級(jí)成熟材，樹(shù)盤厚度較大即原木段。研究者們主要對(duì)原木段兩端頭的開(kāi)裂情況進(jìn)行研究。

Kubler H，Chen T H采用有限元分析方法分析了橫截樹(shù)盤生長(zhǎng)應(yīng)力對(duì)端裂的影響。結(jié)果表明:原木的橫截過(guò)程中釋放的軸向生長(zhǎng)應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)化為端頭附近的弦向拉應(yīng)力;髓心附近生長(zhǎng)應(yīng)力最大，因此開(kāi)裂通常在此位置發(fā)生;生長(zhǎng)應(yīng)力隨樹(shù)盤厚度減小而下降，厚度小于1/4直徑時(shí)，生長(zhǎng)應(yīng)力近似為零［1］。Kubler H采用冷凍干燥法對(duì)原木段進(jìn)行干燥研究。結(jié)果表明:雖然干燥質(zhì)量較常規(guī)方法大幅提高，但由于生長(zhǎng)應(yīng)力及干縮過(guò)程中弦向拉應(yīng)力的存在，開(kāi)裂仍不可避免，受傷材開(kāi)裂更為嚴(yán)重［2］。Wilhelmy V，Kubler H利用有限元分析方法研究了原木段端頭的應(yīng)力分布［3］。Hsu N N，Tang R C等研究了原木生長(zhǎng)應(yīng)力和殘余應(yīng)力，并對(duì)影響應(yīng)力的相關(guān)材性因素進(jìn)行了探討［4－7］。在此基礎(chǔ)上，Kubler H，Chen T H根據(jù)原木段端頭應(yīng)力分布情況，分別采用沿髓心圓周環(huán)切 (kerfs)、沿樹(shù)皮圓周帶捆 (bands)，圓周環(huán)切凹槽 (grooves)等處理方法來(lái)抑制原木端頭開(kāi)裂，抑制的效果取決于處理尺寸的大小、處理位置離端頭與軸向的距離［3，8 －9］。

隨著對(duì)樹(shù)盤應(yīng)用的不斷推廣，研究者們又對(duì)厚度相對(duì)較小的樹(shù)盤進(jìn)行研究。Kubler H對(duì)樹(shù)盤干燥過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單處理來(lái)抑制干燥開(kāi)裂:如干燥前期，對(duì)心材進(jìn)行封閉處理，只允許邊材干燥;干燥中期，移除封閉處理，心邊材同時(shí)干燥;干燥后期，樹(shù)盤放入帶孔隙的容器中進(jìn)行緩慢干燥;同時(shí)認(rèn)為引起干燥開(kāi)裂的諸多因素中最主要的是非同步干縮所產(chǎn)生的應(yīng)力［10］。之后，Kubler H又對(duì)未處理材與處理材 (NaCI/PEG)的干燥特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明:干燥開(kāi)裂由生長(zhǎng)應(yīng)力、含水率不均導(dǎo)致的干縮差異應(yīng)力、各向異性產(chǎn)生的差異干縮應(yīng)力共同作用引起;隨著含水率的下降，干縮差異應(yīng)力變得越來(lái)越重要，以至于較小的含水率不均導(dǎo)致的干縮差異應(yīng)力都可以觸發(fā)開(kāi)裂;緩慢干燥可以減小干燥開(kāi)裂，但低溫高濕會(huì)引起邊材變色;樹(shù)盤厚度越小越易翹曲;經(jīng)過(guò)處理的樹(shù)盤均對(duì)干燥開(kāi)裂有一定的抑制作用，但效果不明顯且實(shí)際處理有難度［11］。Kato H等曾對(duì)常規(guī)干燥過(guò)程中樹(shù)盤切向應(yīng)力行為進(jìn)行過(guò)研究［12］。在此基礎(chǔ)上，Mataki Y、Kawabe J提出了樹(shù)盤某一圓周部位切向應(yīng)變的計(jì)算公式［13］。

1.2 國(guó)內(nèi)研究歷史

自古以來(lái)，中國(guó)民間就用鹽水浸泡、浸油或蒸煮等方法來(lái)改善木材吸濕解吸及尺寸穩(wěn)定性，減小開(kāi)裂。其方法沿用至今。但相關(guān)機(jī)理的研究未見(jiàn)報(bào)道。

2 樹(shù)盤干燥研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著木材干燥行業(yè)的快速發(fā)展，各種特殊干燥方法的研究越來(lái)越受到重視，對(duì)樹(shù)盤各種處理的研究越來(lái)越多，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究也在不斷深入。

Kang W等采用圓環(huán)切片法對(duì)高頻真空干燥下樹(shù)盤徑向含水率分布與弦向應(yīng)變進(jìn)行過(guò)研究。結(jié)果表明:雖然心邊材初含水率不同，但在纖維飽和點(diǎn)以下，心邊材含水率達(dá)到一致;同時(shí)整個(gè)樹(shù)盤均呈現(xiàn)拉應(yīng)力，且從髓心到外緣有增大趨勢(shì)，在心邊材交界處達(dá)到最大;高頻真空干燥下多數(shù)樹(shù)盤不會(huì)出現(xiàn)V－裂［14］。Lee N H等對(duì)高頻真空干燥下日本落葉松、洋槐心材與心邊材混合樹(shù)盤的徑向含水率分布進(jìn)行研究，旨在探討心邊材差異對(duì)樹(shù)盤干燥開(kāi)裂的影響。在上述研究基礎(chǔ)上，Lee N H等探討通過(guò)對(duì)樹(shù)盤進(jìn)行一系列簡(jiǎn)單處理來(lái)抑制干燥開(kāi)裂［15］。Choi J H等對(duì)高頻真空干燥下邊材移除及邊材封閉處理過(guò)樹(shù)盤的徑向含水率分布與弦向應(yīng)變進(jìn)行研究，旨在通過(guò)減小心邊材含水率差異來(lái)減小干燥開(kāi)裂［16］。Li C，Lee N H等研究了高頻真空干燥下日本落葉松樹(shù)盤橫截面承受壓載荷時(shí)受抑制收縮、體積變化、切向應(yīng)變的分布和變化，探討了壓載荷對(duì)收縮及切向應(yīng)變的影響。結(jié)果表明:外部載荷對(duì)開(kāi)裂的形成有一定的抑制作用［17－19］。Kang W對(duì)高頻真空干燥下樹(shù)盤沿徑向干縮變化與干燥缺陷的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:樹(shù)盤的實(shí)際徑向干縮大于自由徑向干縮，V－裂主要與實(shí)際干縮差異有關(guān);生長(zhǎng)偏心率和圓度與干燥開(kāi)裂沒(méi)有關(guān)系［20］。Kang W、Lee N H運(yùn)用數(shù)學(xué)模型建立樹(shù)盤干燥應(yīng)力與開(kāi)裂之間的關(guān)系。結(jié)果表明:由于機(jī)械吸附蠕變的存在，干燥應(yīng)力與含水率的變化呈非線性關(guān)系，開(kāi)裂的產(chǎn)生主要與含水率沿徑向的分布有關(guān)，控制樹(shù)盤干燥特性的主要因素是心邊材含水率差異［21］。Sreekanth M、Kolar A K根據(jù)樹(shù)盤的自身特點(diǎn) (縱向尺寸較小、橫截面積較大)采用流化床干燥機(jī)對(duì)樹(shù)盤進(jìn)行干燥，并分別建立了熱量傳遞與干燥應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，旨在探討樹(shù)盤瞬時(shí)熱量變化與應(yīng)力發(fā)展規(guī)律［22］。Kang W 等分別運(yùn)用有限元分析法(FEM)與里茲法 (RRZ)分析樹(shù)盤自然頻率對(duì)橫向生長(zhǎng)應(yīng)力與干燥應(yīng)力的影響，該模型可以通過(guò)對(duì)自然頻率的測(cè)量間接預(yù)測(cè)生長(zhǎng)應(yīng)力;采用同樣的方法可以驗(yàn)證粘彈性干燥應(yīng)力模型［23］。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

艾沐野、張曉峰等對(duì)常規(guī)干燥下小徑白樺的圓截片、斜截片的藥液處理與未處理材進(jìn)行了干燥特性等分析。結(jié)果表明:對(duì)白樺小徑木截片的常規(guī)干燥是可行的，可采用溫度漸升、濕度漸降的普通干燥基準(zhǔn);處理材的尺寸穩(wěn)定性提高，且不易開(kāi)裂，但干燥速率慢;斜截片易翹曲變形［24］。王麗宇研究了碩樺小徑木圓截片試樣的干燥技術(shù)，制定了可行的常規(guī)干燥基準(zhǔn)。結(jié)果表明:小徑木圓截片在干燥過(guò)程中易產(chǎn)生徑裂，其主要原因是弦徑向干縮不一致而引起;熱濕處理能提高干燥速度;樹(shù)皮的有無(wú)對(duì)開(kāi)裂影響不大;初步提出了碩樺小徑木圓截片的部分干燥質(zhì)量指標(biāo)［25］。王喜明、高志悅等比較了白樺小徑木橫截片經(jīng)尿素和脲醛樹(shù)脂改性后的干縮特性的差異，進(jìn)而探討了橫截片的干燥特性、橫截片應(yīng)力的測(cè)試方法和水分傳導(dǎo)基本規(guī)律［26］。王麗宇對(duì)刺槐小徑木圓截片、斜截片的微波干燥技術(shù)進(jìn)行了初步研究，發(fā)現(xiàn)截片在微波干燥中易產(chǎn)生徑裂，斜截片較圓截片為甚;初步提出刺槐小徑木斜截片微波干燥基準(zhǔn)可稍軟于其圓截片微波干燥基準(zhǔn)［27］。金永明，劉志坤等對(duì)馬尾松小徑木橫截片進(jìn)行過(guò)尿素和脲醛樹(shù)脂改性處理，探討了處理對(duì)干燥特性等的影響。結(jié)果表明:經(jīng)尿素和脲醛樹(shù)脂改性后可減小其變形開(kāi)裂［28］。Yang L Q等對(duì)經(jīng)NaCI處理過(guò)的樹(shù)盤水分移動(dòng)機(jī)理與干燥特性進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示:經(jīng)NaCI處理過(guò)的樹(shù)盤，干燥開(kāi)裂大幅減少，但干燥速率明顯低于未處理材，其主要原因是NaCI影響了木材微空隙結(jié)構(gòu)變化與干燥能耗［29－30］。

生產(chǎn)實(shí)際中人們據(jù)上述研究結(jié)果，曾嘗試用天然干燥、常規(guī)干燥、常規(guī)－天然聯(lián)合干燥等方式干燥樹(shù)盤，如黑龍江虎林林業(yè)局東方紅眾孚牧業(yè)有限公司探討用軟基準(zhǔn)的常規(guī)－天然聯(lián)合干燥法干燥俄羅斯白松樹(shù)盤，雖較常規(guī)干燥開(kāi)裂有明顯減少，但干燥周期很長(zhǎng)，且未從根本避免缺陷。韓國(guó)的Lee N H等學(xué)者指導(dǎo)企業(yè)采用高頻真空結(jié)合適當(dāng)?shù)耐饧虞d荷進(jìn)行樹(shù)盤干燥，干燥過(guò)程中裂紋大大減少，但干燥后放置及使用過(guò)程中，由于粘彈性蠕變應(yīng)變的恢復(fù)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力并導(dǎo)致開(kāi)裂［15－19］。蔡英春與日本九州大學(xué)的藤本登留合作研究，采用高頻對(duì)流聯(lián)合干燥法干燥日本柳杉樹(shù)盤，雖然在相同的干燥周期下質(zhì)量?jī)?yōu)于其它方法，但仍難避免微裂紋產(chǎn)生［31］。

3 小結(jié)

長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員一直研究樹(shù)盤開(kāi)裂的原因及抑制方法，雖獲得了諸多研究成果，但未獲得完全抑制樹(shù)盤干燥及后續(xù)使用過(guò)程中開(kāi)裂的有效方法?？偨Y(jié)諸研究的主要成果有以下幾點(diǎn):

(1)樹(shù)盤干燥開(kāi)裂由生長(zhǎng)應(yīng)力，含水率不均導(dǎo)致的干縮差異應(yīng)力與各向異性產(chǎn)生的差異干縮應(yīng)力共同作用引起。其中，各向異性產(chǎn)生的差異干縮應(yīng)力占主要地位;對(duì)于厚度較小的樹(shù)盤來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)應(yīng)力可忽略。

(2)樹(shù)盤厚度與徑級(jí)是影響開(kāi)裂的重要因素，厚度與徑級(jí)越大，干燥開(kāi)裂越嚴(yán)重。

(3)經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)預(yù)處理的樹(shù)盤均對(duì)干燥開(kāi)裂有一定的抑制作用，但效果不明顯且不實(shí)際;對(duì)于經(jīng)過(guò)預(yù)處理的樹(shù)盤干燥開(kāi)裂抑制機(jī)理，尚不明確。

(4)采用高頻真空干燥、高頻對(duì)流聯(lián)合加熱干燥技術(shù)結(jié)合物理處理能明顯減少干燥開(kāi)裂，但有待進(jìn)一步研究適宜的干燥及處理工藝。

(5)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型對(duì)樹(shù)盤干燥應(yīng)力及開(kāi)裂分析有參考作用，但由于模型只有在一定的假設(shè)條件下才能成立，因此缺乏普遍性，尚不能指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。

4 樹(shù)盤干燥發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述，從國(guó)內(nèi)外研究背景與現(xiàn)狀來(lái)看，無(wú)論采用天然干燥、常規(guī)干燥、常規(guī)－天然聯(lián)合干燥，還是高頻真空干燥、高頻對(duì)流干燥等方式，皆不能完全避免樹(shù)盤在干燥過(guò)程及干燥后使用過(guò)程的開(kāi)裂。對(duì)樹(shù)盤進(jìn)行物理化學(xué)預(yù)處理，雖對(duì)開(kāi)裂的形成有一定的抑制作用，但效果不明顯且不實(shí)際。

因此，對(duì)樹(shù)盤干燥開(kāi)裂的抑制有待進(jìn)一步研究。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理與制定合適的干燥基準(zhǔn)，最終減小樹(shù)盤干燥及使用過(guò)程中開(kāi)裂。

今后對(duì)樹(shù)盤干燥的發(fā)展趨勢(shì)可以有以下幾個(gè)方面:

(1)近年來(lái)，隨著木材流變學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始將流變學(xué)理論引入到木材干燥應(yīng)力與應(yīng)變的研究中。大多數(shù)學(xué)者基于木材流變學(xué)理論，把干燥應(yīng)變分為自由干縮應(yīng)變、彈性應(yīng)變、粘彈性蠕變應(yīng)變和機(jī)械吸附蠕變應(yīng)變，取得了一定成果。因此須對(duì)樹(shù)盤干燥過(guò)程中的流變特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示樹(shù)盤干燥過(guò)程中應(yīng)變變化規(guī)律，從而為制定樹(shù)盤干燥工藝，優(yōu)化干燥基準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。

(2)需對(duì)引起樹(shù)盤干燥開(kāi)裂的材性因素進(jìn)行深入研究。樹(shù)盤與常規(guī)鋸材的干燥存在較大差異，其中以水分的移動(dòng)路徑，樹(shù)盤橫截面材性的差異(髓心、幼齡材、心材和邊材)最為顯著。因此，把握這些材性因素對(duì)開(kāi)裂的影響關(guān)系，可通過(guò)相應(yīng)而又適宜的物理、化學(xué)處理以及改進(jìn)的干燥基準(zhǔn)減少開(kāi)裂。

(3)深入研究樹(shù)盤的物理化學(xué)預(yù)處理機(jī)理，確立相應(yīng)處理工藝。

(4)優(yōu)化現(xiàn)有的樹(shù)盤干燥基準(zhǔn)，在確保較高干燥質(zhì)量的前提下，提高干燥效率，減少干燥時(shí)間，節(jié)約成本和能源。

(5)數(shù)學(xué)模型對(duì)于分析樹(shù)盤干燥過(guò)程中熱質(zhì)傳遞規(guī)律與應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律起著十分重要的作用。今后模型的發(fā)展不僅僅要側(cè)重于模型的建立，更要注重模型的驗(yàn)證與實(shí)際應(yīng)用。

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