鐵木豆干燥基準(zhǔn)的初步研究

劉 杰，張桂蘭，張振濤，王清平

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018；2.中科院理化技術(shù)研究所，北京100190）

1 引言

鐵木豆屬于大喬木的一種，主要分布在非洲和美洲的熱帶地區(qū)，心邊材區(qū)別明顯，邊材淺黃白色，芯材紅褐色至紫褐色。鐵木豆的材色和花紋美觀，紋理交錯(cuò)、結(jié)構(gòu)細(xì)而勻，氣干密度0.7～1.15g/cm3，材質(zhì)致密硬重，強(qiáng)度大，并且耐腐耐蟲蛀。在2001年底以前，鐵木豆被鑒定為黃檀屬紅酸枝木，2002年初已正式確定其不屬于紅木類，但由于其良好的材質(zhì)、外觀等特性，鐵木豆木仍具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可用做高檔實(shí)木家具、雕刻、承重地板等。而作為木材加工利用的第一道工序－木材干燥在木材經(jīng)濟(jì)、利用價(jià)值上有著重要的作用。因此，確定出適合鐵木豆的干燥基準(zhǔn)，從而提高其利用率很有意義。

2 材料與方法

2.1 材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料是由中山鴻發(fā)紅木家具公司提供的從非洲進(jìn)口的木材，含水率基本在600%左右的范圍內(nèi)，選擇無可見缺陷的弦切板和徑切板，截取規(guī)格為200mm×100mm×20mm的試件，四面刨光，其中徑切板作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，不作為制定基準(zhǔn)的依據(jù)。

設(shè)備選用：電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)有限公司；天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司 GB/T 26497；游標(biāo)卡尺，上海恒量量具有限公司0～150mm；小帶鋸。

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用百度法試驗(yàn)法，百度試驗(yàn)是日本教授寺尺真采用歐美的干燥基準(zhǔn)系列，并根據(jù)37種樹種的木材干燥特性，經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)和研究，總結(jié)出的一種預(yù)測木材干燥基準(zhǔn)的方法［1］，具體的操作步驟如下。

（1）干燥前。試樣制成后立即測量實(shí)際尺寸，精確至0.1mm，并用天平稱重，精確至0.1g。

（2）干燥過程。干燥過程中將鼓風(fēng)式電熱恒溫箱調(diào)至103℃±2℃，將試樣豎立放置，開始進(jìn)行干燥。在此過程中定時(shí)取出試樣觀察、稱重、記錄其干燥全過程，主要觀測初期開裂。觀測及稱重時(shí)間間隔取決于木材樹種和含水率的變化。最初間隔時(shí)間為1h，以后延長到2h。當(dāng)表裂開始愈合時(shí)，間隔時(shí)間可延長至4～6h。

（3）干燥結(jié)束后。待測得兩次重量基本不變時(shí)，停止烘干，此時(shí)含水率可達(dá)到1%左右。稱重并測量試件內(nèi)裂、扭曲、順彎、瓦彎、初期開裂等情況；沿長度方向，在試件中間的部位鋸取15mm寬的含水率試驗(yàn)片，測定其含水率并計(jì)算出試件的全干重。在試樣的新截?cái)嗝嬗^測內(nèi)裂、截面變形程度［2］。

3 結(jié)果與分析

3.1 干燥特性曲線

根據(jù)鐵木豆試樣在干燥各階段的重量變化以及最后的絕干重量，計(jì)算出鐵木豆干試件干燥過程中各階段的含水率，從而繪制出鐵木豆試件的含水率隨時(shí)間的變化趨勢即干燥特性曲線，如圖1所示。由圖1可知，含水率在30%以上時(shí)，主要蒸發(fā)的是自由水，所以干燥速度較快，含水率在30%以下，蒸發(fā)的水分主要是結(jié)合水，速度要遠(yuǎn)小于前一階段，而達(dá)到10%以下時(shí)，水分蒸發(fā)的則更加困難。

圖1 鐵木豆干燥特性曲線

3.2 干縮特性

根據(jù)鐵木豆在干燥箱中各階段尺寸變化的記錄，計(jì)算出鐵木豆的弦向、徑向、縱向干縮率，并繪制出干縮曲線如圖2所示。由圖2可以看出，鐵木豆試件干縮的變化規(guī)律大致可分為3個(gè)階段，第一階段為含水率在30%～60%左右，隨著鋸材內(nèi)自由水的不斷減少，干縮率成正比的增加，第二階段為含水率在11%～30%左右時(shí)，鋸材收縮率的變化趨勢變緩，這可能是由于此階段鋸材內(nèi)自由水已經(jīng)完全蒸發(fā)干凈，第三階段為在平衡含水率至絕干的階段，此階段的干縮率增加速度又有所上升，最后在絕干時(shí)達(dá)到平衡。

圖2 鐵木豆干縮特性曲線

3.3 干燥基準(zhǔn)的確定

3.3.1 確定干燥缺陷等級(jí)

根據(jù)100℃干燥實(shí)驗(yàn)所觀察記錄的數(shù)據(jù)，參照百度試驗(yàn)干燥等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［3］，確定了鐵木豆試件的主要干燥缺陷等級(jí)，如表1所示，試件初期開裂等級(jí)為5，截面變形等級(jí)為3，內(nèi)部開裂等級(jí)為1。

表1 鐵木豆干燥缺陷等級(jí)

3.3.2 干燥基準(zhǔn)

根據(jù)鐵木豆試件弦切板的干燥缺陷等級(jí)，按照百度實(shí)驗(yàn)干燥特性等級(jí)與干燥條件對(duì)應(yīng)表［4］，確定鐵木豆干燥初期條件如表2。

表2 鐵木豆干燥初期條件

由表2可知，該樹種2.5cm厚木材的干燥基準(zhǔn)介質(zhì)條件為：初期溫度40℃，初期干濕球溫度差為1.5～2℃，末期溫度為75℃。根據(jù)含水率與干濕球溫度差關(guān)系表［5］，得出2.5mm厚鐵木豆鋸材的干燥基準(zhǔn)如下表3。

表3 鐵木豆干燥基準(zhǔn)

3.4 其他干燥特性

3.4.1 初期開裂

初期開裂是因?yàn)槟静谋韺优c芯層收縮不均形成內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致的。干燥初期，試件的含水率很高，在高溫的條件下加熱，水分蒸發(fā)的很快，在試件表面水分移動(dòng)路徑短，則蒸發(fā)的更加迅速，容易形成含水率梯度。當(dāng)木材表層的含水率已經(jīng)下降到了纖維飽和點(diǎn)以下，而木材內(nèi)部的水分還保持在纖維飽和點(diǎn)以上很高時(shí)，表層因結(jié)合水的析出而收縮，內(nèi)層卻阻礙這種收縮，形成內(nèi)壓外拉的應(yīng)力，這種應(yīng)力一般在干燥初期產(chǎn)生，使木材產(chǎn)生開裂，而后會(huì)隨著干燥的進(jìn)行出現(xiàn)愈合的趨勢［6］。初期開裂與木材干燥初期濕度關(guān)系最大。試驗(yàn)表明，鐵木豆的初期開裂非常嚴(yán)重，表裂、寬裂的數(shù)量都很多，初期開裂等級(jí)為5級(jí)。

3.4.2 截面變形

試件出現(xiàn)截面變形主要是因?yàn)槟静募?xì)胞在高溫條件下出現(xiàn)塌陷，從而到時(shí)試件表面凸凹不平［7］。將試件從中間鋸開，鐵木豆試件的截面變形值在1.0～1.9mm之間，等級(jí)為3。

3.4.3 內(nèi)部開裂

隨著百度試驗(yàn)進(jìn)入到后期階段，試件表面的水分已經(jīng)很低，而內(nèi)部的結(jié)合水往外蒸發(fā)，形成了外壓內(nèi)張的含水率梯度，這種應(yīng)力的不斷增大，會(huì)導(dǎo)致試件的內(nèi)部開裂［8］。試驗(yàn)試件基本上沒有出現(xiàn)內(nèi)裂，只有個(gè)別試件出現(xiàn)的輕微的裂痕，內(nèi)裂等級(jí)為1.

3.4.4 扭曲變形

由于木材構(gòu)造上具有各向異性，在干燥過程中各個(gè)方向上的收縮不一致，會(huì)導(dǎo)致試件的扭曲變形［9］。試驗(yàn)結(jié)果表明：鐵木豆試件的扭曲平均值為1.5，扭曲等級(jí)為2。

4 結(jié)語

試驗(yàn)結(jié)果表明，鐵木豆試件的初期開裂等級(jí)為5，截面變形等級(jí)為3，內(nèi)裂等級(jí)為1，扭曲等級(jí)為2.在干燥過程中翹曲的趨勢很小，弦向干縮和徑向干縮均較大，屬于難干木材。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，初步試確定了鐵木豆25～30mm厚鋸材的干燥基準(zhǔn)。

［1］顧煉百.木材干燥第2講鋸材干燥基準(zhǔn)的分析和選用［J］.林產(chǎn)工業(yè)，2002，29（3）.

［2］樊吉尤，符韻林，韋鵬練，等.刨花潤楠干燥特性研究［J］.林業(yè)實(shí)用技術(shù)，2011，30（9）.

［3］李本貴，喻云水.百度法制定翅莢木干燥基準(zhǔn)［J］.湖南林業(yè)科技，2003，30（1）：51～52.

［4］刁海林，羅建舉，朱定強(qiáng).巨尾桉干燥特性研究［J］.中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27（28）：63～68.

［5］高建民.木材干燥學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008：120～121.

［6］韋鵬練，李永忠，符韻林，等.柳杉木材干燥特性研究［J］.林業(yè)實(shí)用技術(shù)，2012（2）54～56.

［7］刁海林，羅建舉，莫玉嬋，等.米老排干燥特性研究［J］.湖北農(nóng)業(yè)學(xué)，2011，50（21）4416～4419.

［8］杜洪雙，黃瓊濤.緬甸黑胡桃干燥基準(zhǔn)［J］.家具，2013，34（6）19～23.

［9］何定華，林文潔.石梓和米老排木材干燥特性及干燥工藝［J］.木材工業(yè)，1989，3（2）：8～13.