頂果木木材干燥特性研究

李付伸，黃騰華，周夏錚，符韻林，劉曉玲

(1.廣西壯族自治區(qū)國有維都林場，廣西 來賓 546100;2.廣西大學(xué)林學(xué)院，南寧 530004)

頂果木木材干燥特性研究

李付伸1，黃騰華2*，周夏錚1，符韻林2，劉曉玲2

(1.廣西壯族自治區(qū)國有維都林場，廣西 來賓 546100;2.廣西大學(xué)林學(xué)院，南寧 530004)

為了掌握頂果木木材的干燥特性，制定合理的干燥基準，利用百度試驗法研究了頂果木木材的干燥特性，結(jié)果表明：頂果木木材干燥速度為3級，較快；截面變形程度較輕，為1級；初期開裂較嚴重，為3級；扭曲等級為2級，有內(nèi)裂。針對頂果木木材的干燥特性，參照百度試驗缺陷等級以及干燥缺陷對應(yīng)的干燥條件,擬定25～30 mm厚為頂果木木材的干燥基準。在實際的窯干生產(chǎn)中只需對擬定的干燥基準進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化便可以得到適合于頂果木木材的干燥基準，提高干燥基準的制定效率，為促進頂果木木材的開發(fā)和利用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

頂果木；干燥特性；百度試驗法

頂果木(Acrocarpus fraxinifolius)別名毛榔、泡椿、頂果樹、梣葉豆，為蘇木科頂果木屬落葉高大喬木，自然分布北熱帶、南亞熱帶地區(qū)，在廣西主要分布在龍州、寧明、崇左、巴馬、平果、田東、田陽、德保、那坡、隆林、鳳山、都安、田林等縣和國營老山林區(qū)[1]。是廣西鄉(xiāng)土速生闊葉樹種之一，屬國家三級保護稀有樹種[1-2]，其樹形高大挺拔，樹高40 m以上，枝下高20 m以上，胸徑40～80 cm，最大胸徑可達240 cm[3]。樹高年平均生長達2 m以上，立地條件好的可達3 m。側(cè)枝很少，板根突出，是闊葉樹中出材率較高的樹種之一，散孔材，邊材黃白色，心材暗紅褐色，紋理直，堅韌，少開裂，是家具、板料、單板等上等材料。其木纖維壁薄而細長，是纖維工業(yè)優(yōu)良原料[3]。頂果木生長快，樹干通直圓滿，出材率高，特別適合培養(yǎng)大徑材，材質(zhì)輕韌，花紋美麗，心材淡紅褐色，少開裂，較耐腐，可作上等家具等用材。還可用作行道樹，風(fēng)景樹或生態(tài)防護樹種，其市場前景廣闊，有望發(fā)展成為我國南方地區(qū)繼速豐桉之后的重要速生豐產(chǎn)林闊葉樹種。

培育優(yōu)質(zhì)速生用材林是當(dāng)前商品林經(jīng)營的切入點，是提高林產(chǎn)品附加值的一項主要技術(shù)途徑。頂果木具有生長快，材質(zhì)好，出材率高，適應(yīng)性強的優(yōu)點，因此是很好的造林和用材樹種，極具推廣價值[5-7]。2010年廣西林業(yè)廳將其列為今后重點推廣發(fā)展的珍貴樹種[4]，過去對頂果木的研究多涉及生物學(xué)特性，繁殖栽培，育苗試驗，離體培養(yǎng)和種子解剖與催芽處理等，但在加工和利用方面還未見相關(guān)報道。木材干燥是木材加工利用的重要環(huán)節(jié)，是影響木材利用和經(jīng)濟效益的關(guān)鍵因素。因此，本文主要研究頂果木的木材干燥特性，并制定預(yù)測干燥基準，旨在為頂果木的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用頂果木弦切板，取材于廣西來賓市維都林場，共采伐三株，原木胸徑35.6～49.1 cm。試件規(guī)格為200 mm ×100 mm ×20 mm(L×W×H)，四面刨光，選取優(yōu)良無缺陷的弦切板8塊，徑切板3塊，中心板1塊。其中弦切板用來評判木材干燥特性的等級，徑切板和中心板作對比試驗。

1.2 試驗方法

試驗按照百度試驗法進行。具體步驟如下:

(1)干燥開始前。在試件上標記測量點，測量試件的實際尺寸，精確至0.1 mm；用電子天平稱重，精確至0.1 g。

(2)干燥試驗。將測量和稱重后的試件沿紋理方向水平豎立于干燥箱內(nèi)，在(100±2)℃的條件下進行干燥。觀察干燥過程中試件初期端裂和表面開裂情況。試驗開始每0.5 h后觀測1次，2次后轉(zhuǎn)入每1 h觀測1次；6 h后每2 h觀測1次；當(dāng)裂縫開始愈合時，每6 h觀測1次。每次觀測的同時還稱重，記錄水分的變化情況。

(3)干燥結(jié)束。待測量得2次重量基本不變時，停止烘干。將試件稱重，并測量其長寬厚尺寸，以及測量扭曲、順彎、瓦彎等后期變形情況。然后沿長度方向的中央鋸取15 mm寬的含水率試片，測定其含水率并推算出試件的全干重。在已烘干試樣的新截斷面檢查內(nèi)裂狀況及截面變形程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 確定頂果木木材的干燥缺陷等級

根據(jù)干燥試驗數(shù)據(jù)，參照相關(guān)文獻[8-10]確定試件的干燥缺陷等級。頂果木試件初期開裂程度，內(nèi)裂和截面變形等缺陷情況如表1所示。

表1 頂果木試件缺陷等級

2.2 干燥特性分析

(1)初期開裂。初期開裂主要是由于木材表層與內(nèi)層收縮不均勻而形成過大的拉應(yīng)力所致。干燥初期，試件的初含水率較高，在100°強烈的干燥條件下，相對濕度接近零，水分蒸發(fā)很快，特別是沿纖維方向的段表層以及垂直于纖維方向的木材表層，水分移動的路徑短，蒸發(fā)迅速，形成較大的含水率梯度。當(dāng)木材表層的含水率低于纖維飽和點時，木材內(nèi)層的含水率還遠遠高于纖維飽和點，表層因吸著水的排除而收縮，但受到內(nèi)層的限制，從而產(chǎn)生內(nèi)壓外拉的干燥應(yīng)力。這種應(yīng)力發(fā)展很快，在干燥周期約1/8時達到最大值[11-12]，當(dāng)干燥應(yīng)力超過木材本身在當(dāng)時含水率狀態(tài)下的橫紋拉伸極限強度時，木材即產(chǎn)生開裂。

百度試驗表明：頂果木木材的初期開裂程度屬于中等，主要為端裂和端表裂，只有個別試件出現(xiàn)了表裂和貫通裂，但是數(shù)量少。在第1次觀察中(進烘箱0.5 h)大部分試件均產(chǎn)生了端裂，裂紋細小且多，小部分出現(xiàn)端表裂，細小且少；1 h后，絕大部分試件產(chǎn)生了端裂和端表裂，1塊中心板出現(xiàn)了1條貫通裂；此后，裂紋數(shù)量及長度迅速發(fā)展。2 h時，其中一塊弦切板出現(xiàn)了表裂和貫通裂；3 h時，所有試件都產(chǎn)生了端裂；初期開裂在2～3 h內(nèi)發(fā)展到最大值。表裂最多3條，長度最長只有50 mm ，最大寬度有0.3 mm。隨后裂紋開始愈合，到結(jié)束干燥時，除1塊中心板外尚有較為明顯的裂紋外，其余試件基本都愈合完全。根據(jù)干燥缺陷及干燥速度分級標準判定，其初期開裂等級為3級。根據(jù)試驗觀察，初期開裂是頂果木的主要干燥缺陷，因此在干燥初期時干濕球溫度差不應(yīng)太大，以確保干燥質(zhì)量。

(2)內(nèi)部開裂。內(nèi)裂主要起因于干燥引起的表面硬化和干燥應(yīng)力，常發(fā)生在干燥后期，與干燥初期的干燥條件以及末期干燥溫度有關(guān)，特別是較為嚴重的表裂會向內(nèi)部延伸從而引起內(nèi)裂[9]。干燥試驗結(jié)束后觀察，大部分弦切板都沒有產(chǎn)生內(nèi)裂，徑切板和中心板均有內(nèi)裂，但是內(nèi)裂程度較輕，根據(jù)干燥缺陷及干燥速度分級標準判定，綜合其等級為2級。

(3)截面變形。截面變形是由于干燥過程中，木材表層與內(nèi)層水分蒸發(fā)速度不同，以及表層硬化引起的[13]。實驗表明，頂果木的截面變形程度比較輕，弦切板的截面變形值介于0.1～0.48 mm之間，平均值為0.25 mm；徑切板和中心板的截面變形平均值分別為0.31 mm和0.26 mm；綜合評定其等級為1級。

(4)扭曲，彎曲變形。由于干縮的不均勻性，在百度試驗過程中，試件會產(chǎn)生扭曲變形，即順彎、瓦彎、橫彎等變形[14]。對于弦切板，靠近樹皮一邊的板面比靠近樹心一邊的板面收縮率大，因而容易引起與年輪方向相反的彎曲(瓦彎)，而順彎和橫彎的主要原因是木材的紋理不直或制作試件的長度方向與樹木長度方向有誤差，引起干縮的不均勻，從而產(chǎn)生扭曲變形。試驗結(jié)果表明，頂果木木材扭曲的程度較嚴重，弦切板的扭曲值介于0.5～3.5 mm之間，平均值為1.97 mm，評定等級為2級。徑切板和中心板的扭曲平均值分別為0.75 mm和1.5 mm?？傮w上，弦切板試件的扭曲水平要高于徑切板和中心板。弦切板的瓦彎也較為嚴重，介于0.5～2.4 mm，平均值為1.39 mm；徑切板和中心板的平均值分別為2.28 mm和1.90 mm。

(5)干燥速度。頂果木干燥過程中含水率變化曲線如圖1所示。參照相關(guān)文獻[15-17]對其干燥特性進行計算。經(jīng)過統(tǒng)計計算，各弦切板試材從含水率30%降至5%所需時間介于11.0～29.8 h之間，平均用時20.4 h，平均干燥速度為1.23%·h-1，等級評定為3級，干燥速度較慢。干燥速度統(tǒng)計結(jié)果見表2。含水率從30%降至5%，徑切板平均用時38 h，平均干燥速度為0.66%·h-1。可見，徑切板的干燥速度比弦切板要慢很多，因此窯干時為保證干燥質(zhì)量，應(yīng)該將板材分類分別進行干燥。

圖1 含水率變化曲線

表2 百度試驗干燥速度

W初/%InitialMC干燥時間/h全程W初%～30%30%～5%干燥速度/%·h-1全程W初%～30%30%～5%干燥速度等級105．6681120．41．556．871．233

2.3 編制頂果木木材干燥基準

通過試驗獲得頂果木木材3種主要干燥缺陷的等級程度后，參照與干燥缺陷相對應(yīng)的干燥條件，確定頂果木木材干燥的初期溫度，初期干濕球溫度差以及干燥末期溫度，如表3所示，從中選出各溫度和干濕球溫差最低條件作為確定頂果木木材干燥基準的基本條件[18]。

表3 試件干燥初步條件

根據(jù)表3確定：初期溫度為60℃，干燥初期干濕球溫差3～5℃，末期溫度為90℃。木材初期開裂程度一般與干燥初期干濕球溫度差關(guān)系最大，與初期溫度關(guān)系次之，與末期溫度和末期干濕球溫度差關(guān)系最小。截面變形程度與干燥初期溫度和干濕球溫度差關(guān)系較大，與末期干濕球溫度差關(guān)系較小。內(nèi)裂程度與干燥初期溫濕度，末期溫度關(guān)系均較大，與末期濕度關(guān)系較小[18]。在制定干燥基準時應(yīng)注意針對各主要缺陷的情況合理安排各階段溫濕度的變化，以減少甚至避免各類干燥缺陷的出現(xiàn)，確保干燥質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

頂果木的初期開裂等級較高，截面變形及內(nèi)裂等級較小，因而對其進行干燥時，前期的干濕球溫度差不宜過大，升溫不宜過快，可有效避免初期開裂的出現(xiàn)；中后期升溫幅度及干濕球溫度差可適當(dāng)加大，提高干燥效率。根據(jù)實驗記錄，初期開裂多集中在含水率68%左右出現(xiàn)，含水率34%左右趨于穩(wěn)定。因此含水率在70%以上時，干球溫度為60℃，干濕球溫度差為3℃；含水率在70%～30%時，各階段之間緩慢升溫，之后的升溫幅度可適當(dāng)加大，以提高干燥效率。經(jīng)過計算，試件的初含水率為105.6%，查含水率與干濕球溫度差關(guān)系表[18]，可以制定出鋸材的干燥基準；再根據(jù)本試驗共用時68 h，初期干濕球溫度差為3℃，查干燥時間估算圖，可估算鋸材實際干燥的時間。一般成材干燥多為家具用材，因而制定25～30 mm厚頂果木木材干燥基準。最終干燥基準見表4。

表4 百度試驗法確定的頂果木木材(25～30mm)干燥基準

階段含水率/%干球溫度/℃干濕球溫度差/℃170以上603270～60634360～50666450～40691010540～357318635～257720725～158125815～108530910以下9030

干燥時間為10 d。

3 結(jié) 論

(1)結(jié)果表明，頂果木木材的干燥速度較快，干燥時間介于11.0～29.8 h，對應(yīng)的特性等級為3級。弦切板和徑切板干燥速度差異比較明顯，為確保干燥質(zhì)量，最好分別進行干燥。

(2)初期開裂為頂果木木材的主要干燥缺陷，達到3級。因此干燥前期升溫不宜太快，干濕球溫度差也不宜過大。

(3)彎曲變形中，扭曲變形最明顯，平均為1.97 mm；瓦彎變形程度輕，截面變形小，有內(nèi)裂，對應(yīng)的特性等級分別為2、1、1。

(4)制定25～30 mm厚為頂果木木材的預(yù)測干燥基準。

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Wood Drying Properties of Acrocarpus fraxinifolius Wight

LI Fu-sheng1,HUANG Teng-hua2,ZHOU Xia-zheng1,FU Yun-lin2,LOU Xiao-ling2

(1.WeiDuForestfarmofGuangxi,Nanning,546100;2.Forestrycollege,GuangxiUniversity,Nanning,530004)

In order to know well the drying properties and draw up reasonable drying schedule for Acrocarpus fraxinifolius Wight wood,its drying properties were investigated based on the 100℃ test method．The results showed that: the drying speed of Acrocarpus fraxinifolius Wight wood was Grade 3,relatively fast；the degree of cross-section deformation was light at Grade 1；the initial checks were more serious，being Grade 3; the degree of twist deformation was Grade 1，with internal cracks．Based on the drying properties and the defect level of 100 ℃ test results,a drying schedule criteria of Acrocarpus fraxinifolius Wight wood with the thickness of 25～30 mm was drawn up.In the actual production of kiln drying，only proper adjustment and optimization were needed to work out a suitable drying schedule for Acrocarpus fraxinifolius Wight wood,which improved the efficiency of drawing up a drying schedule．

Acrocarpus fraxinifolius Wight; drying characteristics; 100 ℃ drying test

2015-07-02 期金項目：廣西林業(yè)科技項目珍貴樹種頂果木人工林綜合技術(shù)研究(桂林科字[201230]號)。

李付伸(1979-)，女，工程師，從事森林培育研究工作，E-mail：77007114@qq.com。

S781

A

1001-2117(2015)05-0010-04

*通信作者