過熱蒸汽干燥對50 mm厚柳杉鋸材質量及微觀構造的影響1)

鮑詠澤　周永東

(中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，北京,100091)

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過熱蒸汽干燥對50 mm厚柳杉鋸材質量及微觀構造的影響1)

鮑詠澤周永東

(中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，北京,100091)

摘要對50 mm厚柳杉鋸材進行過熱蒸汽干燥試驗，對干燥后鋸材的終含水率、殘余干燥應力及干燥缺陷等干燥質量指標進行統(tǒng)計與分析，并使用掃描電鏡進行觀察，分析過熱蒸汽干燥對木材微觀構造的影響。結果表明，柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后的終含水率、厚度含水率偏差、殘余干燥應力以及順彎翹曲率、橫彎翹曲率和扭曲率等均能達到鋸材干燥質量國家標準規(guī)定的一級指標要求，翹曲達到干燥質量二級指標要求；柳杉鋸材過熱蒸汽干燥質量為二級的合格率為90.32%。通過觀察干燥后柳杉木材的微觀構造，發(fā)現(xiàn)大量紋孔破裂、紋孔膜脫落，導致木材內孔隙增加，表明過熱蒸汽干燥會提高木材的滲透性，進而提高木材干燥速率。

關鍵詞柳杉;過熱蒸汽;干燥質量;微觀構造

分類號S781.71

Effect of Superheated Steam Drying of 50-mm-thickness Chinese Cedar Lumber on Wood Quality and Microstructure

Bao Yongze, Zhou Yongdong

(Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 10091, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(4)：66-68,73.

Superheated steam drying experiment was conducted on 50-mm-thickness Chinese Cedar (Cryptomeriafortunei) lumber. The final moisture content (MC), residual drying stress and drying defects of the lumber was analyzed after drying, and statistical analysis of drying quality were conducted. Scanning electron microscopy (SEM) was used to observe microstructure of lumber to discuss the effect of superheated steam drying on wood microstructure. The quality indexes including final MC, layer moisture content, residual drying stress, crook, cup, and twist can meet the requirements of the first grade in accordance with national standard for lumber drying quality, and warp index can meet the requirements of the 2nd grade. By SEM, the pits in cell wall were broken, and pit membrane was loss, which resulted in the improved permeability of lumber under superheated steam drying, and increased the drying rate in drying process.

KeywordsChinese Cedar; Superheated steam; Drying quality; Microstructure

柳杉是國內分布面積較大的非傳統(tǒng)用材樹種之一，是長江流域和南方各省的主要造林樹種，面積約140萬hm2[1]。柳杉的加工利用中，干燥是一道關鍵程序，直接影響能源消耗和生產成本，而且干燥質量還關系到木材的出材率，后期加工和木制品的使用性能[2]。國外對柳杉干燥的研究已有許多，尤其是對日本柳杉(Cryptomeriajaponica)大多采用的是常規(guī)干燥和高溫干燥[3-6]；而對柳杉(Cryptomeriafortunei)鋸材采用高溫干燥及聯(lián)合干燥法[7]的研究顯示，其干燥缺陷較多，干燥質量較低。過熱蒸汽干燥具有干燥速率快、干燥質量好、節(jié)能效果顯著及安全環(huán)保的特點[8-10]，廣泛應用于食品、污泥和農副產品等行業(yè)，是一種低成本、高效率的干燥方法。國內學者使用高壓過熱蒸汽干燥日本柳杉，并對干燥過程中干縮應力進行相關研究[11]，但有關常壓條件下過熱蒸汽干燥木材的報道較少。筆者采用常壓過熱蒸汽干燥柳杉木材，研究其干燥特性、干燥質量及過熱蒸汽對微觀構造的影響，為柳杉木材的高效、高附加值利用提供技術依據(jù)。

1材料和方法

1.1材料與設備

柳杉(Cryptomeriafortunei)，采自四川，樹齡30 a，胸徑在25 cm以上。采伐后原木的長度截為2.0 m，兩端用石蠟乳液進行封端，以防止運輸過程中端裂的發(fā)生。試材鋸解后放入冷藏庫中低溫保存，溫度保持在-6 ℃，以保持其生材的高含水率狀態(tài)，初含水率范圍120%～140%。本試驗中主要為弦切板，包括部分髓心材。

試驗用干燥設備為木材干燥試驗機(HD74/TAII)，配有電熱鍋爐，通過噴蒸管將鍋爐蒸汽導入干燥機，并通過翅片管式加熱器將蒸汽加熱到過熱狀態(tài)。試驗風速約為2.5 m/s，試驗過程參數(shù)由電腦進行全自動控制，并自動記錄干燥過程參數(shù)。含水率檢測使用烘干箱(DNK611)、電子天平(TXB622L)，干燥缺陷檢測使用游標卡尺、楔形尺等工具進行。使用切片機(TU-213)制作木材切片，并采用掃描電子顯微鏡(Hitachi-S4800)觀察木材微觀構造。

1.2方法

干燥試驗前將2 m長的板材進行鋸解并標號，在距板材兩端頭5 cm及中間各截取1 cm厚含水率試片，加工成干燥試驗用的鋸材，規(guī)格為900 mm(長)×120 mm(寬)×50 mm(厚)。用烘干法測定含水率片的初含水率，相鄰兩個含水率片的平均值即是中間鋸材的含水率值。對所有鋸材在干燥前進行稱質量，并檢測及記錄干燥前缺陷，以便干燥后對比。試驗中材堆大小為900 mm×800 mm×800 mm，材堆頂層放置質量為324 kg的壓重物，以減少干燥產生的彎曲變形。本試驗設備及材堆配置等與企業(yè)用干燥設備相近，所用干燥工藝可在企業(yè)使用。

挑選6塊含水率有代表性的、無翹曲及開裂等缺陷的鋸材作為含水率檢驗板，在干燥過程中便于取放，檢測含水率及干燥缺陷的發(fā)生及變化。以檢驗板的初質量及初含水率推算絕干質量，之后在干燥過程中定期稱量檢驗板的質量，計算當時的含水率，從而監(jiān)測含水率的變化情況，同時記錄干燥缺陷的發(fā)展情況。依當時含水率狀態(tài)，并參考使用的干燥基準，及時調整干燥工藝階段。

干燥結束后根據(jù)GB/T 6491—2012《鋸材干燥質量》對順彎、橫彎、翹彎、扭曲及開裂等外觀缺陷進行檢測，并隨機抽取12塊鋸材制作平均含水率片，分層含水率片和應力試片檢測鋸材的平均終含水率、厚度含水率偏差及殘余干燥應力值等干燥質量指標。

將干燥鋸材中部沿順紋方向用帶鋸機截取10 mm(弦向)×10 mm(徑向)的木條，然后進行水煮軟化。用刀片將軟化好的木條切成長度10 mm的樣塊，再用木材切片機將軟化好的試材切成厚度2 mm的切片，烘至絕干后表面進行噴金以觀察木材的微觀結構。

干燥工藝主要參考國外木材常壓過熱蒸汽干燥工藝，并依據(jù)國內柳杉鋸材常規(guī)干燥工藝及干燥質量數(shù)據(jù)，結合幾次預試驗經驗而制定。預熱時間為4 h，終了調濕處理為6 h。為了更好地使干燥應力得到釋放，在終了處理前使木材溫度先下降至75 ℃，之后再提高溫度及濕度進行終了處理。這樣木材內部的溫度場及水分梯度的方向一致，都是由木材外部向木材內部的方向，利于木材吸收水分并釋放殘余干燥應力。干燥工藝基準如表1所示。

表1　柳杉鋸材過熱蒸汽干燥工藝

2結果與分析

2.1柳杉鋸材干燥過程

圖1所示為50 mm厚柳杉鋸材過熱蒸汽干燥過程。整個干燥周期共用110 h，其中干燥過程85 h，全程干燥速率為0.011 8 h-1。木材干燥初期，柳杉鋸材初含水率較高，木材內充滿大量自由水，而表層的自由水首先蒸發(fā)。這時木材表層含水率低于心層，在木材整體上形成了含水率梯度；與此同時，水分加熱至沸點發(fā)生汽化也形成了蒸汽壓力梯度。當蒸發(fā)完畢之后，在含水率梯度和蒸汽壓力梯度的作用下，水蒸氣沿著細胞腔與紋孔大毛細管由木材內部向外擴散移動，這個階段干燥過程近似直線[12]；含水率在40%左右干燥曲線稍變緩，但后期過熱度增加后，干燥速度又有所增加?？傮w來講干燥過程中干燥速度較接近。

—■—干球溫度；—●—濕球溫度；—▼—含水率

2.2柳杉鋸材干燥質量

2.2.1含水率及殘余干燥應力

表2為柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后平均含水率、厚度含水率偏差及殘余應力值。根據(jù)鋸材干燥質量標準GB/T 6491—2012對過熱蒸汽干燥后的柳杉木材含水率及應力進行測量分析，結果表明柳杉鋸材的終含水率均值為7.92%，干燥均勻度為0.68%；厚度含水率偏差為負值，表明心層含水率低于表層，是因為在干燥結束后，進行終了調濕處理，使得表層含水率稍高。正是由于調濕處理的作用，使得干燥應力得到很好的釋放，干燥后殘余干燥應力值只有0.5%。柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后的平均最終含水率、分層含水率、殘余干燥應力均能達到一級干燥質量要求，且合格率為100%。

表2　柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后的含水率及殘余應力值

注：厚度含水率偏差=心層含水率-表層含水率。

2.2.2干燥缺陷

柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后的干燥缺陷如表3所示。過熱蒸汽干燥后順彎翹曲率、橫彎翹曲率和扭曲率平均值均能達到鋸材干燥質量標準中的一級指標要求，翹彎翹曲率平均值達到干燥質量二級指標要求。柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后均無內裂和皺縮現(xiàn)象發(fā)生，但鋸材表面會產生較小的開裂，開裂寬度不足2 mm，按標準不予計數(shù)。柳杉鋸材表面原有細裂紋干燥后有所擴展，是由于干燥過程中木材縱向與橫向干縮的差異性較大，導致木材翹彎變形的產生及開裂的延長。綜合來看，本次過熱蒸汽干燥柳杉鋸材二級以上干燥質量的總體干燥合格率為90.32%。

表3　柳杉鋸材過熱蒸汽干燥缺陷質量檢測結果

綜上所述，過熱蒸汽干燥法適用于柳杉鋸材的干燥。為了對比研究，筆者與常規(guī)干燥法和高溫干燥法[13]相比較得出，常規(guī)干燥后柳杉鋸材的平均含水率、厚度含水率偏差及殘余應力值均大于過熱蒸汽干燥，外觀質量略高于過熱蒸汽干燥。而高溫干燥后柳杉鋸材的平均含水率和厚度含水率偏差小于過熱蒸汽干燥，但殘余應力值卻遠遠大于過熱蒸汽干燥，外觀質量與過熱蒸汽干燥差別不顯著。由此得出，過熱蒸汽干燥優(yōu)于常規(guī)干燥和高溫干燥。

2.3過熱干燥對柳杉鋸材微觀構造的影響

圖2所示為柳杉鋸材過熱蒸汽干燥前后微觀構造的對比。與未經干燥的柳杉鋸材(圖2a)相比，經過熱蒸汽干燥后柳杉(圖2b)木材徑面上大量紋孔發(fā)生破裂，木材的孔隙增加。這表明過熱蒸汽干燥可增加木材的孔隙度，進而提高木材的滲透性，降低了干燥過程中的含水率梯度，減小干燥應力的發(fā)生，使木材干燥質量得到提高。

在過熱蒸汽干燥過程中，木材內部的水分迅速被加熱至沸點并發(fā)生汽化，木材內部會產生一個蒸汽壓力作用于紋孔膜等較薄弱的組織，破壞了閉塞的紋孔膜，打通了木材內部水分移動的通道。而且隨著汽蒸處理溫度的升高，水分汽化越劇烈，蒸汽壓力對紋孔膜的破壞程度也在加劇，增大或增多了有效滲透路徑的半徑和數(shù)量，從而在一定程度上提高了木材的滲透性[14]。

圖2　柳杉鋸材微觀構造對比

參考文獻

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收稿日期：2015年10月22日。

作者簡介：第一鮑詠澤，男，1987年1月生。中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，博士研究生。E-mail:baoyongze2009@126.com。通信作者：周永東，中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，研究員。E-mail:zhouyd@caf.ac.cn。

1)林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404502)。

責任編輯：戴芳天。