干燥條件對木材干縮力的影響1)

劉建霞 王喜明 郝中保 吳向文

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010018)

責(zé)任編輯:戴芳天。

木材的干縮性是木材重要的物理性能之一，它直接決定著木材的尺寸穩(wěn)定性，同時它還是木材原料及其制品變形開裂的根源所在。干縮力是木材在干燥過程中因水分散失發(fā)生尺寸上的減小而產(chǎn)生的一種對外作用力和內(nèi)部應(yīng)力。木材干縮不均可導(dǎo)致干燥過程中的開裂、翹曲變形等缺陷，準(zhǔn)確、快速測量干燥過程中木材的干縮對于提高木材科研水平和木材干燥生產(chǎn)質(zhì)量、效率具有重要意義。因此了解木材的干縮性能及干縮規(guī)律，對研究木材干燥工藝、木材的合理加工和利用有很重要的意義［1-2］。Wang從微觀角度研究了橡膠木開裂與干燥應(yīng)力之間的關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)干燥應(yīng)力超過木材的橫紋抗拉強度時，木材就會開裂［3］;程萬里［4］采用新開發(fā)的壓力傳感器研究了日本柳杉在干燥過程中的收縮變形;龔蒙［5］、邵卓平［6］、李維桔［7］把電阻應(yīng)變計直接貼于木材表面來測量木材的彈性常數(shù)。但是，在高溫、高濕條件下直接貼應(yīng)變計在濕木材表面來測量干燥過程中的木材干縮及彈性常數(shù)并非易事。龔仁梅研究溫度對人工林落葉松木材干縮的影響，認(rèn)為隨著干燥溫度升高，弦、徑向干縮率均呈減小的趨勢［8］;電阻應(yīng)變計式木材干縮傳感器實現(xiàn)了干燥過程中木材干縮的連續(xù)在線測量［9］;木材干燥過程中應(yīng)力的檢測裝置可直接、適時、連續(xù)測定伴隨木材干燥過程中的收縮應(yīng)力［10］。這些研究在探索木材干縮性能方面發(fā)揮了重要的作用。

本研究使用一種拉力傳感器，將木材尺寸減小產(chǎn)生的外部拉力作用于傳感器上，再通過測試此種力的大小確定木材干縮時產(chǎn)生的干縮力的大小。該方法解決了現(xiàn)有技術(shù)不能準(zhǔn)確、快速地測出木材干燥過程中因水分散失產(chǎn)生的干縮力大小的問題。為了更好地研究和探索木材在干燥過程中的木材干縮和干燥條件之間的關(guān)系，本實驗基于一個懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)備試驗原理，著重研究木材干燥過程中不同規(guī)格試材在不同干燥條件下的干縮力。

1 材料與方法

1.1 材料

樟子松(P.sylvestris)，產(chǎn)自俄羅斯。所選試材為無節(jié)、無腐朽、無毛刺的弦切板，初含水率為80%～90%。

將原木鋸解成15 cm 厚的圓盤，然后以30 mm等間距鋸切，產(chǎn)生弦切板，將試材的小部分心材和邊材剔除，再按照25、50 mm 的邊長隨機(jī)制取長方體，每個規(guī)格重復(fù)3 次，制作誤差不超過0.5 mm。試件規(guī)格是30 mm×30 mm×25 mm 和30 mm×30 mm×50 mm。將制作好的試件裝在密封袋放入冰柜中-20℃冷凍儲藏。

1.2 設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，型號為DHG-9040BS，控溫范圍:50～300 ℃，由天津宏諾儀器有限公司制造;拉力傳感器，型號為TJL-1，由安徽蚌埠天光傳感器公司制造，量程為500 N，工作溫度-10～60 ℃，示值誤差≤滿量程的0.2%;A/D 轉(zhuǎn)換器，型號為TY5S，由安徽蚌埠天光傳感器公司制造;自制夾具，用于固定木材試件;自制螺紋桿，在整個設(shè)備中起連接作用;自制不銹鋼支架，用于把干燥箱置于一個操作臺上。

1.3 方法及原理

試件從冰柜中取出后放在室溫環(huán)境中解凍3 h，與自制夾具相互粘接，其粘接面在木材的縱向，橫向用膠作封端頭處理，其中自制夾具與試件的接觸面積約為166 mm2;試件與夾具粘好放在室溫環(huán)境中冷卻24 h，裝于密封袋內(nèi)，冷卻的過程中試件會失掉很多自由水;將已經(jīng)達(dá)到最大膠黏強度的試件和夾具一同固定于烘箱內(nèi)，此時試件內(nèi)只有結(jié)合水存在，其含水率已經(jīng)降到纖維飽和點30% 以下。

螺紋桿及夾具設(shè)計采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其一端被固定于固定端，自由端受到外力(F)作用時可以自由移動。

圖1 試驗原理示意圖

木材試件所受干縮力關(guān)系表示如下:σ=F/A。式中:σ 為干縮力(MPa);F 為試件受力(N);A 為橫截面積(mm2)。

木材試件所受的干縮力與試件所受拉壓力成正比，與木材試件橫截面積成反比。因此，在已知木材試件橫截面積的前提下，通過其所受拉壓力可知木材的干縮力。

2 結(jié)果與分析

2.1 測試設(shè)備中傳感器標(biāo)定

為檢驗力學(xué)傳感器的測試準(zhǔn)確性，除進(jìn)行常規(guī)檢驗外，試驗還需要對力學(xué)傳感器進(jìn)行加載，考查其靈敏度(見表1)。結(jié)果表明，相同條件下，傳感器重復(fù)加載、卸載，應(yīng)力傳感器負(fù)荷基本達(dá)到相同的值，為此，可以確認(rèn)該力學(xué)傳感器可以正常運行和使用。

表1 傳感器應(yīng)力測試結(jié)果 N

在今后的試驗中，將利用該力學(xué)傳感器在相應(yīng)環(huán)境下測試木材干燥過程中所發(fā)生的干縮力。

2.2 干縮力的測試

25、50 mm 厚試件各溫度條件下的干縮力變化見圖2?？芍静母煽s大致可分為以下3 個階段。熱脹階段:木材試件同特制夾具一起放入干燥箱組裝后，接通電源，儀表清零后，干燥箱升溫過程中，木材試件受熱膨脹，導(dǎo)致力學(xué)傳感器受壓，儀表顯示為負(fù)，負(fù)向數(shù)值的絕對值一直增大，后又趨向零減小。干縮階段:木材試件受壓負(fù)向達(dá)到最大時，開始發(fā)生收縮，傳感器受拉，儀表顯示為正，隨著時間的增加，數(shù)值一直增大，開始增加的很快，之后緩慢增加。平衡階段:在恒溫條件下，2～3 h 內(nèi)，儀表數(shù)值變化不明顯，基本趨于穩(wěn)定。

可以看出，從40～100 ℃的范圍內(nèi)，隨著溫度的增加，干縮力急劇上升;對于同一厚度的樟子松試件來說，隨著干燥過程的進(jìn)行，溫度越高，樟子松木材達(dá)到最大干縮力所需時間越短，干縮力變化越明顯;溫度越高，木材在干縮階段所受最大干縮力卻相對越小。這是因為對平均含水率相同的試件來說，在干燥初期，高溫介質(zhì)中干燥的試件比在低溫介質(zhì)中干燥試件的干燥速度快，從而使得前者的含水率梯度高于后者，也就是說，在溫度高的介質(zhì)中干燥的試件，其干縮要先于在溫度低的介質(zhì)中，所以溫度越高，樟子松木材達(dá)到平衡所需時間越短，干縮力變化越明顯。

試件的干縮力最初是負(fù)值，即對力學(xué)傳感器產(chǎn)生壓應(yīng)力，是試件在熱處理過程中產(chǎn)生熱膨脹引起的;圖中曲線的小范圍波動是由系統(tǒng)誤差造成的，試件的個體差異性產(chǎn)生的誤差對試驗也有一定的影響。

圖2A、圖2B 對比可知，薄試件干縮力變化較厚試件明顯，因為薄試件水分傳導(dǎo)速度較快，發(fā)生的干縮就快，在干燥過程中其表層及以下各層形成的干縮力也就越明顯。

表2 不同溫度及厚度的試件干縮力測試參數(shù)

從表2可以看出，40 ℃條件下，25 mm 試件干縮力達(dá)到最大和達(dá)到平衡所需的時間均為60 h，50 mm試件干縮力達(dá)到最大所需的時間為87 h，前者明顯少于后者，但二者的最大干縮力基本相同。60 ℃條件下，25 mm 試件干縮力達(dá)到最大所需的時間為15 h，50 mm 試件干縮力達(dá)到最大所需的時間為20 h，前者明顯少于后者;二者所受的最大干縮力，前者略大于后者。80 ℃條件下，25 mm 試件干縮達(dá)到平衡只需要5 h，50 mm 試件干縮達(dá)到平衡需要20 h，且達(dá)到最大干縮力所需的時間，前者明顯少于后者;但是所受的最大干縮力，后者明顯大于前者。100 ℃條件下，25 mm 試件干縮達(dá)到平衡只需要2 h，50 mm試件干縮達(dá)到平衡需要3 h，且達(dá)到最大干縮力所需的時間，前者明顯少于后者;但是所受的最大干縮力，后者明顯大于前者。

圖2 同一厚度不同溫度下試件的干縮力與時間的關(guān)系

圖3 同一溫度不同厚度試件的干縮力與時間的關(guān)系

由圖3可知，試件厚度不同，干縮力—時間發(fā)展曲線各異，溫度高的條件下，干縮力上升急劇;并且隨著干燥過程的進(jìn)行，木材試件含水率降低，干縮力逐漸增大，而100 ℃下干縮力上升速度基本相同。與圖3A 相比較，圖3B 的熱處理過程中，相同條件下，所發(fā)生的干縮大致相同。而圖3D 的干燥過程中，試件干縮力達(dá)到最大后又急劇下降至穩(wěn)定發(fā)展，該現(xiàn)象可能是在熱處理過程中，應(yīng)力集中造成的沿木射線方向的輻射裂紋所致，這需在今后的研究中進(jìn)一步證實。圖3C 中，25 mm試件應(yīng)力達(dá)到最大又急劇下降，而50 mm 試件未發(fā)生此現(xiàn)象，可能是因為在熱處理過程中薄試件較厚試件易發(fā)生裂紋所致，在今后的研究中會進(jìn)一步證實。

試件所受的干縮力最初形成負(fù)值，即對力學(xué)傳感器產(chǎn)生壓應(yīng)力，此現(xiàn)象應(yīng)是試件在熱處理過程中產(chǎn)生的熱膨脹所引起;圖中曲線的小范圍波動是由于系統(tǒng)誤差造成;試件的個體差異性產(chǎn)生的誤差對試驗也有一定的影響。

在干縮階段，樟子松試件隨溫度的增加發(fā)生熱脹現(xiàn)象，產(chǎn)生壓應(yīng)力，后表層含水率先降到纖維飽和點以下而發(fā)生干縮;隨著干燥過程的繼續(xù)，水分傳導(dǎo)速度增快，應(yīng)力也逐漸增大到一個最大值，此時內(nèi)外層的干縮力達(dá)到平衡。整個過程中薄試件變化較明顯于厚試件。這是因為對平均含水率相同的試件來說，薄試件水分傳導(dǎo)速度較快，發(fā)生的干縮就快，在干燥過程中其表層及以下各層的干縮力也就越大。

3 結(jié)論

本試驗探究了從40～100 ℃的范圍內(nèi)，隨著溫度的增加，木材干縮力隨時間的變化關(guān)系。試驗結(jié)果表明:同一厚度條件下，溫度高的試件達(dá)到平衡所需時間比溫度低的試件達(dá)到平衡所需試件短，干縮力變化也較溫度低的明顯;但達(dá)到平衡時木材干縮力相對小于溫度低的試件。同一溫度條件下，薄試件所受干縮力要明顯大于厚試件所受干縮力，且達(dá)到最大干縮力所需的時間明顯少于厚試件。

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