菲律賓桃花芯木鋸材干燥工藝初探

趙 庚，褚 俊，孟 楊，陳廣元

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

菲律賓桃花芯木因易加工、油漆和膠合性能好、易拋光和著色等特性廣泛用于家具、建筑、膠合板、細(xì)木工、裝飾板、地板等。本研究通過(guò)百度試驗(yàn)法探索菲律賓桃花芯木的干燥特性并計(jì)算其參考干縮系數(shù)，通過(guò)密度測(cè)定實(shí)驗(yàn)探索該樹種的氣干密度、全干密度和基本密度。在以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上參考《鋸材窯干工藝規(guī)程》制定三種干燥基準(zhǔn)，并進(jìn)行相應(yīng)的常規(guī)窯干工藝實(shí)驗(yàn)。綜合分析不同干燥基準(zhǔn)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出本研究中的最佳干燥基準(zhǔn)，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 百度試驗(yàn)法材料

試樣取自某企業(yè)提供的平均含水率在71.5%的弦切板材，用細(xì)木工帶鋸機(jī)于板材中部截取并四面刨光，未涮涂料，試件無(wú)變色、腐朽、節(jié)子、蟲眼等缺缺陷。試件數(shù)量為4塊，試件尺寸為200 mm×100 mm×20 mm。

1.1.2 密度測(cè)定實(shí)驗(yàn)材料

試件尺寸為50 mm×50 mm×50 mm，(菲律賓桃花心木的平均年輪寬度大于4 mm)，試件數(shù)量48塊。其中16塊用于氣干密度測(cè)定，16塊用于全干密度測(cè)定，16塊用于基本密度測(cè)定。

1.1.3 常規(guī)窯干工藝試驗(yàn)材料

試材尺寸為350 mm×(190～200 mm)×30 mm，試材數(shù)量15塊。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

細(xì)木工帶鋸機(jī)，壓刨機(jī)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DGH-9070A型)，恒溫恒濕箱，游標(biāo)卡尺(0.01 mm)，電子天平(1、0.01、0.001 g)和玻璃干燥器(內(nèi)置干燥劑)等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)思路

從探索菲律賓桃花心木的干燥特性和菲律賓桃花心木氣干密度、基本密度、絕干密度和干縮系數(shù)等性質(zhì)入手，依據(jù)《鋸材窯干工藝規(guī)程》初步制定菲律賓桃花心木的干燥基準(zhǔn)，并進(jìn)行第一次試干，同時(shí)通過(guò)改變同一含水率階段的干球溫度和干濕球溫差制定出第二次和第三次工藝實(shí)驗(yàn)的干燥基準(zhǔn)，并進(jìn)行相應(yīng)的工藝試驗(yàn)。綜合分析不同基準(zhǔn)下的試驗(yàn)結(jié)果，從而得出30 mm菲律賓桃花心木優(yōu)化的干燥基準(zhǔn)。

1.3.2 試驗(yàn)方法

百度試驗(yàn)方案依《木材干燥基準(zhǔn)簡(jiǎn)易確定法——百度試驗(yàn)法》[1]制定。

密度測(cè)定試驗(yàn)方案依《木材密度測(cè)定方法》[2]制定。

工藝試驗(yàn)時(shí)，按準(zhǔn)備階段、預(yù)熱階段、干燥階段、平衡處理和終了處理完成并進(jìn)行干燥前初含水率檢測(cè)，干燥過(guò)程中檢測(cè)及干燥后檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 百度試驗(yàn)結(jié)果與分析

百度試驗(yàn)所測(cè)的菲律賓桃花心木干燥缺陷見(jiàn)表1，對(duì)照干燥等級(jí)及干燥速度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表可以判定菲律賓桃花心木的干燥特性等級(jí)，見(jiàn)表2。參照干燥特性等級(jí)與干燥條件(℃)對(duì)應(yīng)表推斷菲律賓桃花芯木的干燥條件，見(jiàn)表3。通過(guò)計(jì)算得菲律賓桃花芯木參考干縮特性，見(jiàn)表4，對(duì)徑向干縮系數(shù)和弦向干縮系數(shù)的各組數(shù)值求平均值，得到菲律賓桃花芯木的徑向干縮系數(shù)為0.120%、弦向干縮系數(shù)為0.208%。

表1 百度實(shí)驗(yàn)法各試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表2 菲律賓桃花芯木干燥特性

表3 百度實(shí)驗(yàn)法確定的菲律賓桃花芯木干燥條件

表4 菲律賓桃花芯木干縮性質(zhì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 密度測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果，將菲律賓桃花芯木的氣干密度、全干密度和基本密度列于表5中。

表5 菲律賓桃花芯木密度統(tǒng)計(jì)表

2.3 預(yù)制干燥基準(zhǔn)

根據(jù)試驗(yàn)菲律賓桃花芯木的干燥特性及其參考干縮系數(shù)和氣干密度、全干密度、基本密度，考慮百度試驗(yàn)4個(gè)試件中內(nèi)裂僅一塊試件是3級(jí)，其他為2級(jí)，扭曲值中有兩塊試件雖達(dá)到3級(jí)但所超數(shù)值不大，參照《鋸材窯干工藝規(guī)程》[3]中的《闊葉樹鋸材基準(zhǔn)表的選用》及《闊葉樹鋸材窯干基準(zhǔn)表》制定菲律賓桃花芯木的初步干燥基準(zhǔn)，見(jiàn)表6。

將此基準(zhǔn)定為第一次干燥工藝實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)。在預(yù)熱階段完成后(預(yù)熱時(shí)間減小1 h)，將各含水率階段的干球溫度提高2℃，干濕球溫差加1℃，即為第二次干燥工藝實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)。在預(yù)熱階段完成后(預(yù)熱時(shí)間增加1 h)，在各含水率階段將干球溫度降低2℃，干濕球溫差減1℃，即為第三次干燥工藝實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)。

表6 第一次工藝實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)表

2.4 工藝試驗(yàn)結(jié)果及分析

在工藝實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)際所用執(zhí)行基準(zhǔn)及所用時(shí)間列于表7。

表7 工藝實(shí)驗(yàn)實(shí)際執(zhí)行基準(zhǔn)表

2.4.1 干燥過(guò)程中的數(shù)據(jù)分析

干燥速度。如圖1所示，三種基準(zhǔn)下，含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，第二次工藝實(shí)驗(yàn)干燥速度最快，第三次工藝實(shí)驗(yàn)干燥速度最慢，第一次工藝實(shí)驗(yàn)干燥速度介于二者之間；含水率介于30%～15%時(shí)干燥速度仍是第二次>第一次>第三次；而從整體干燥過(guò)程上講，干燥速度就變?yōu)榈谝淮?第二次>第三次。

厚度含水率偏差。如圖2所示，含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，板材厚度含水率偏差隨含水率的降低而降低；三種干燥條件下最終厚度含水率偏差介于±1之間，且三者偏差的絕對(duì)值大小為第三次<第一次<第二次。

干燥過(guò)程中應(yīng)力隨含水率變化。如圖3可所示，當(dāng)板材含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，應(yīng)力主要表現(xiàn)為負(fù)值，即叉齒外張。這段過(guò)程中，木材表面水分蒸發(fā)速度大于木材內(nèi)部水分向木材表面的移動(dòng)速度，表現(xiàn)為外拉內(nèi)壓；當(dāng)含水率低于纖維飽和點(diǎn)后逐漸表現(xiàn)為正值，即叉齒內(nèi)彎。這段過(guò)程中，水分從內(nèi)部向表面移動(dòng)速度大于表面蒸發(fā)速度，表現(xiàn)為內(nèi)拉外壓。

圖1 干燥過(guò)程中含水率變化曲線

圖2 干燥過(guò)程中含水率厚度偏差變化曲線

圖3 干燥過(guò)程中應(yīng)力變化曲線

2.4.2 干燥結(jié)束后的數(shù)據(jù)分析

含水率及應(yīng)力指標(biāo)。三次工藝試驗(yàn)結(jié)束后，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，將含水率及應(yīng)力指標(biāo)計(jì)算結(jié)果列于表8。

參照《鋸材干燥質(zhì)量》中規(guī)定的含水率及應(yīng)力質(zhì)量指標(biāo)表(見(jiàn)表8)可知：除第三次工藝實(shí)驗(yàn)的平均最終含水率為二級(jí)外，三次工藝實(shí)驗(yàn)的其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿足干燥質(zhì)量一級(jí)的要求。

2.4.2.2 可見(jiàn)干燥缺陷

本研究中，菲律賓桃花芯木的可見(jiàn)干燥缺陷主要表現(xiàn)為彎曲和端部開裂，無(wú)表裂和內(nèi)裂。其中造成彎曲變形的可能原因：首先，實(shí)驗(yàn)板材的紋理不直；其次，實(shí)驗(yàn)板材的徑向弦向存在干縮差異；再者，在整個(gè)干燥過(guò)程中，三次實(shí)驗(yàn)材堆上方所壓重物重量不同。其中造成端部開裂的原因可能為制材前原木的生長(zhǎng)應(yīng)力，制材時(shí)所選板材已出現(xiàn)嚴(yán)重的端裂情況，并且在鋸掉開裂端頭后再鋸制仍會(huì)有端裂產(chǎn)生，即在制材時(shí)就存在嚴(yán)重的端裂隱患。在三次實(shí)驗(yàn)中，第一次實(shí)驗(yàn)所選板材不存在端裂問(wèn)題，第二、三次均存在，且較為嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第一次不存在開裂現(xiàn)象，第二、三次均存在。

計(jì)算可見(jiàn)干燥缺陷整理后列于表9中，對(duì)照《鋸材干燥質(zhì)量》[4]中規(guī)定的可見(jiàn)干燥缺陷質(zhì)量指標(biāo)表可知三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果除翹曲度偏大外均滿足一級(jí)材可見(jiàn)干燥缺陷指標(biāo)。

由表9可知：翹曲度第三次>第一次>第二次；扭曲度第一次>第三次>第二次；縱裂度第三次>第二次>第一次 。

表8 干燥結(jié)束后含水率及應(yīng)力指標(biāo)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表9 可見(jiàn)干燥缺陷實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

綜上所述，三次工藝實(shí)驗(yàn)所用執(zhí)行基準(zhǔn)均能滿足2級(jí)干燥指標(biāo)

干燥過(guò)程中，干燥速度第一次>第二次>第三次；厚度含水率偏差第三次<第一次<第二次；干燥過(guò)程中應(yīng)力的控制以第三次實(shí)驗(yàn)條件控制的最為平緩，第一次次之，第二次波動(dòng)較大，但第三次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)力一直處于負(fù)值，這與第三次實(shí)驗(yàn)的干燥介質(zhì)的濕度較大有關(guān)，則生產(chǎn)中所需蒸汽耗量要大于其他兩種干燥條件，故第一次干燥條件為佳，但其殘余應(yīng)力指標(biāo)有待提高[5]。

干燥結(jié)束后，干燥均勻度，第一次實(shí)驗(yàn)條件為最小，第二次次之，第三次最大，即對(duì)整個(gè)材堆含水率的控制上以第一次實(shí)驗(yàn)條件為佳；厚度含水率偏差第三次<第一次<第二次，即木材橫斷面上含水率控制以第三次實(shí)驗(yàn)條件為佳。

從整體上看，對(duì)于30 mm厚菲律賓桃花芯木的干燥條件以第一次為佳。

3 結(jié) 論

菲律賓桃花芯木的干燥特性為初期開裂為3級(jí)，內(nèi)裂為2～3級(jí)，截面變形為1級(jí)，扭曲值為2～3級(jí)，干燥速度為2～3級(jí)；菲律賓桃花芯木的氣干密度為0.562 g/cm3，絕干密度為0.517 g/cm3，基本密度為0.465 g/cm3；從木材干燥質(zhì)量及干燥速度上比較三次工藝試驗(yàn)，以第一次工藝試驗(yàn)所用執(zhí)行基準(zhǔn)為最佳。但此基準(zhǔn)僅為本次研究中三次工藝實(shí)驗(yàn)中最佳基準(zhǔn)，如應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，尚需根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際條件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]何清慧.木材干燥基準(zhǔn)簡(jiǎn)易確定法-百度試驗(yàn)法[J].木材工業(yè)，1998，12(6)：39-41.

[2]GB/T1933-2009，木材密度測(cè)定測(cè)定方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[3]LY/T1068-92，鋸材窯干工藝規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[4]GB/T6491-1999，鋸材干燥質(zhì)量[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[5]李建榮，馮立寧，陳廣元，等.木材干燥室框架熱損失研究[J].森林工程，2012，28(2)：42-43.