大果紫檀等3種紅木薄板的高頻真空干燥

劉洪海，楊琳，吳智慧，蔡英春，李興暢

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京210037；2.東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150040；3.廣東省中山市太興家具有限公司，廣東中山528476)

大果紫檀等3種紅木薄板的高頻真空干燥

劉洪海1，楊琳1，吳智慧1，蔡英春2，李興暢3

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京210037；2.東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150040；3.廣東省中山市太興家具有限公司，廣東中山528476)

高頻真空聯(lián)合干燥具有高頻快速加熱及真空下水的沸點(diǎn)降低的雙重優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)木材低溫快速干燥，在大尺寸及名貴木材的干燥領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。紅木家具及工藝制品具有很高的經(jīng)濟(jì)和文化價(jià)值，但常規(guī)干燥由于溫度高、周期長，容易導(dǎo)致紅木變色、變脆及開裂等缺陷，嚴(yán)重影響了紅木制品的質(zhì)量。筆者在相同溫度條件下對3種紅木薄板進(jìn)行高頻真空干燥和常規(guī)干燥，對比分析了干燥后紅木薄板的含水率分布、開裂、變色及干燥速度。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過高頻真空干燥的紅木質(zhì)量能達(dá)到國標(biāo)二級，平均含水率達(dá)到家具及木制品生產(chǎn)工藝要求，顏色變化小，干燥速度快，尤其在高含水率范圍內(nèi)干燥速度更快。高頻真空干燥能夠提高紅木薄板的干燥速度、干燥質(zhì)量和效率，是紅木材料干燥的優(yōu)良方法。

紅木；高頻真空干燥；干燥質(zhì)量；干燥速度

“紅木”是當(dāng)前我國國內(nèi)家具用材約定俗成的名稱。國標(biāo)GB/T 18107—2000規(guī)定：“紅木”是指紫檀屬、黃檀屬、柿屬、崖豆屬及鐵刀木屬樹種的心材，其密度、結(jié)構(gòu)和材色符合國標(biāo)規(guī)定的必備條件的木材。這類木材多產(chǎn)于東南亞、非洲及拉美等熱帶地區(qū)，由于該類木材普遍質(zhì)地細(xì)膩、堅(jiān)硬、沉穩(wěn)、色深氣顯，所以被廣泛地應(yīng)用到工藝雕刻品、裝飾品及傳統(tǒng)古典的高檔家具中。明清以來利用這類材料及傳統(tǒng)工藝制作的高檔家具在中國及世界家具史上占有重要的地位[1]。

近幾年來，利用深色名貴硬木木材的材質(zhì)及紋理特征、融入中國傳統(tǒng)文化元素和現(xiàn)代審美觀點(diǎn)而興起的新中式、新古典等紅木家具所占的市場份額呈逐年上升趨勢。與此同時(shí)，人們對紅木家具的要求也越來越高，對其使用過程中出現(xiàn)的各種質(zhì)量問題愈加重視，紅木原材料的干燥處理越發(fā)顯示其重要性。在傳統(tǒng)紅木的加工過程中，由于干燥比較困難，在實(shí)際生產(chǎn)中紅木干燥處理的比例較小，甚至不進(jìn)行干燥[2]。為了提高家具產(chǎn)量，保障家具質(zhì)量，大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)中多采用常規(guī)干燥方法對紅木進(jìn)行干燥處理[3]。但由于紅木密度大、組織細(xì)密，常規(guī)干燥方法存在著干燥時(shí)間長、干燥應(yīng)力較大等缺陷。高頻真空干燥集高頻快速加熱與真空下水的沸點(diǎn)降低這兩方面的優(yōu)勢，是木材最為理想的干燥方式之一，在國際上越來越受到重視[4-7]。與常規(guī)干燥方法相比，經(jīng)過高頻真空干燥的木材變色小、干燥應(yīng)力及彎曲變形少、成品率高[8-10]。另外，此項(xiàng)技術(shù)尤其適合硬闊葉樹材、厚板材及名貴木材的干燥，能夠充分發(fā)揮其綜合優(yōu)勢[11-12]。

紅木家具企業(yè)中50%以上的干燥材為紅木薄板，而大部分企業(yè)依舊沿用傳統(tǒng)常規(guī)干燥，針對紅木家具及木制品用材進(jìn)行高頻真空干燥研究還鮮有報(bào)道。因此，為了縮短干燥時(shí)間，減少木材的變色、降等，提高干燥質(zhì)量和干燥效率，筆者特針對3種常用紅木家具薄板分別進(jìn)行高頻真空干燥和常規(guī)干燥試驗(yàn)，通過對比研究紅木高頻真空干燥的質(zhì)量及干燥技術(shù)，為紅木材料高頻真空干燥的推廣奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為大果紫檀(Pterocarpusmacro-carpus)、闊葉黃檀(Dalbergia latifolia)和巴里黃檀(Dalbergia bariensis)3種薄板，規(guī)格為1 030mm×110mm×16mm。試材由廣東省中山市太興家具有限公司提供，為紅木家具生產(chǎn)用木材。在批量板材中挑選紋理較通直、含水率相對較高的板材為本次試驗(yàn)用材。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

上海一恒(DHG-9123A)電熱鼓風(fēng)式干燥箱，用于試材初、終含水率測量；蘇州鑫達(dá)(GDS-408)恒溫恒濕試驗(yàn)箱，用于紅木常規(guī)干燥試驗(yàn)；株式會(huì)社YASUJIMA高頻真空干燥設(shè)備，有效容積為0.3m3，用于紅木高頻真空干燥試驗(yàn)；X-riteSP60積分球式分光光度儀，用于干燥前后試材顏色的測定。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 含水率檢測

3種紅木試材各選取4塊紋理通直板材，經(jīng)四面刨光，在每塊板材距離端部30mm及板材中間位置處截取3塊長度為20mm的初含水率試片，最終試件規(guī)格為450mm×100mm×12mm，共8塊。用烘干法測量各初含水率試片的含水率，進(jìn)而計(jì)算出試驗(yàn)板材的初含水率。在每塊試材一側(cè)端頭用耐高溫硅膠密封，制成相當(dāng)于900mm長薄板試材，其中4塊用于高頻真空干燥，另外4塊用作常規(guī)對比干燥。試件初含水率見表1。

表1 試材初含水率

Table 1 Initial moisture contents of rosewood board /%

1.3.2 常規(guī)干燥及高頻真空干燥

根據(jù)3種紅木材料的材性、紅木企業(yè)常用基準(zhǔn)以及過去有關(guān)的研究文獻(xiàn)[13-15]，制定了本次常規(guī)干燥基準(zhǔn)(表2)。在常規(guī)干燥過程中，干燥開始之前對木材進(jìn)行預(yù)熱處理，把木材熱透。其中，干球溫度為48℃，濕球溫度為47.5℃，預(yù)熱時(shí)間為3 h。干燥過程中因試材厚度較薄，沒有進(jìn)行中間處理。高頻真空干燥過程中，通過PT100溫度傳感器檢測木材材心溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)干燥工藝的控制。為了與常規(guī)干燥相比較，干燥基準(zhǔn)(表2)的溫度設(shè)置與常規(guī)干燥各個(gè)階段相對應(yīng)。由于高頻加熱速度較快，在0.5 h左右時(shí)間內(nèi)木材從室溫被加熱到50℃，然后進(jìn)入干燥階段。預(yù)熱階段高頻真空干燥設(shè)備的環(huán)境壓力(Pe)維持在14.7～15.3 kPa(110～115 torr)，高頻真空干燥過程真空罐內(nèi)環(huán)境壓力始終控制在14.7～15.3 kPa。高頻加熱控制條件為：加熱5 min，停止3 min，到達(dá)控制溫度后高頻停止加熱，溫度低于控制溫度1℃時(shí)，高頻開始加熱。在常規(guī)干燥及高頻真空干燥過程中，定期取出試件，稱取質(zhì)量，計(jì)算實(shí)時(shí)含水率、干燥時(shí)間及干燥速度，干燥結(jié)束后檢查所有試件的干燥質(zhì)量及終含水率。

表2 薄板常規(guī)及高頻真空干燥基準(zhǔn)(12 mm厚)

1.3.3 試材顏色檢測

干燥前在每塊試件上選取5個(gè)檢測點(diǎn)，分別測量其明度L*、紅綠色品指數(shù)a*和黃藍(lán)色品指數(shù)b*值。按照前述干燥工藝對試件進(jìn)行干燥，干燥結(jié)束待木材冷卻至室溫后，再次測量標(biāo)記點(diǎn)的顏色值，然后通過顏色參數(shù)值的變化研究干燥方法對木材顏色變化的影響，檢測位置的平均值為其具體顏色參數(shù)。試材總色差ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2，數(shù)值越大，表示干燥后試材和干燥前試材顏色差別越大，單位為NBS。其中：ΔL*表示干燥試驗(yàn)前后試樣的明度差，正值表示試樣比對照樣明亮，負(fù)值表示試樣比對照樣暗；Δa*表示干燥試驗(yàn)前后試樣的紅綠色品指數(shù)差，正值越大表示顏色越偏向紅色，負(fù)值越大表示顏色越偏向綠色；Δb*表示干燥試驗(yàn)前后試樣的黃藍(lán)色品指數(shù)差，正值越大表示顏色越偏向黃色，負(fù)值越大表示顏色越偏向藍(lán)色。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥缺陷

經(jīng)常規(guī)及高頻真空干燥試驗(yàn)后，按照GB/T 6491—2012鋸材干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對木材干燥缺陷進(jìn)行檢測，無論是常規(guī)干燥還是高頻真空干燥后的板材均未見端裂、表裂，干燥后板材表面平整，鋸開后未見內(nèi)裂，可見干燥質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)鋸材干燥質(zhì)量的二級要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種干燥方法及工藝均能夠滿足紅木家具板材的干燥要求。

2.2 含水率

干燥結(jié)束后在每塊試件距離端部30 mm及板材中間位置處截取3塊長度為20 mm的終含水率試片，通過烘干法測量每片試片的含水率，進(jìn)而獲得干燥板材的終含水率。由表3可知，經(jīng)常規(guī)及高頻真空干燥后大果紫檀、闊葉黃檀和巴里黃檀板材的平均含水率分別為11.7%/11.6%, 8.7%/7.6%和9.9%/9.4%，符合GB/T 6491—2012二級(8%～12%)要求。干燥均勻度可以用均方差(σ)來檢查，當(dāng)±2σ小于國標(biāo)規(guī)定等級干燥均勻度時(shí)，材料不需要進(jìn)行平衡處理或再干。本次試驗(yàn)檢查了3種材料各4塊試材經(jīng)常規(guī)及高頻真空干燥后的干燥均勻度。經(jīng)計(jì)算，常規(guī)及高頻真空干燥后含水率均方差(σ)的2倍都小于國標(biāo)干燥均勻度二級±4%的要求，因此干燥均勻度達(dá)到了國標(biāo)規(guī)定的二級標(biāo)準(zhǔn)，干燥試材無需進(jìn)行平衡處理或再次干燥。此外，從表3中可看出，經(jīng)過常規(guī)干燥及高頻真空干燥后板材的含水率均方差(σ)相差不大，說明兩種干燥方法的終含水率相近。

表3 板材最終平均含水率及其均勻度

2.3 干燥后木材顏色變化

高頻真空干燥條件下，干燥溫度低、氧氣含量少，與常規(guī)干燥相比高頻真空干燥的木材變色小[7-9]。干燥結(jié)束后用肉眼進(jìn)行試材顏色變化觀察，由于本次實(shí)驗(yàn)中闊葉黃檀和巴里黃檀顏色較深，干燥前后顏色變化對比不明顯，而顏色較淺的大果紫檀通過目視則可以鑒別其顏色的變化，高頻真空干燥后試材的顏色變化較小。ΔE*(總色差)為用于比較試件顏色變化大小的參數(shù)，其值越大，表明試件處理前后的色差越大。色差為3 NBS是肉眼可以分辨的極限。通過對光度儀檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，常規(guī)干燥及高頻真空干燥后闊葉黃檀和巴里黃檀的ΔE*值均小于3 NBS，用肉眼幾乎無法區(qū)別，而大果紫檀常規(guī)干燥后試件的ΔE*值較大，顏色變化明顯。從表4可以看出，無論對哪種試材，高頻真空干燥對顏色的影響都很小，而對于顏色較淺的木材，高頻真空干燥能夠更好的保持木材原有的顏色及天然特性。此外，本次干燥實(shí)驗(yàn)?zāi)静纳钭兓^小的原因可能與干燥溫度及時(shí)間有關(guān)，如果干燥時(shí)間加長的話，高頻真空干燥對于保持木材本色將有更大的優(yōu)勢。

表4 常規(guī)干燥和高頻真空干燥對木材顏色的影響

2.4 干燥過程及干燥速度

3種紅木的常規(guī)干燥及高頻真空干燥過程曲線見圖1和圖2。由圖1可知，常規(guī)干燥過程有3 h的預(yù)熱階段，在此階段含水率幾乎沒有變化，而高頻真空干燥過程幾乎沒有預(yù)熱階段(圖2)，經(jīng)0.5 h加熱到基準(zhǔn)溫度后便進(jìn)入干燥階段。整個(gè)干燥過程完全按表2所制定的干燥基準(zhǔn)進(jìn)行，當(dāng)干燥進(jìn)行到一定程度時(shí)要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，常規(guī)干燥要提高干濕球溫度(Td、Tw)，高頻真空干燥同樣要提高木材材心溫度(Tc)。由圖1及圖2可知，提高干燥溫度時(shí)，高頻加熱需要的時(shí)間短，升溫6℃只要15 min左右，而常規(guī)干燥則需要30 min左右的時(shí)間。因?yàn)?種紅木的初含水率不同，干燥曲線也表現(xiàn)各異，但是對于初含水率較高的大果紫檀和闊葉黃檀，無論是常規(guī)干燥還是高頻真空干燥，含水率在15%以前的干燥速度都比較快，相比之下高頻真空的干燥速度要快得多。

圖1 常規(guī)干燥過程曲線Fig. 1 Process curves of CK drying

圖2 高頻真空干燥過程曲線Fig. 2 Process curves of RF/V drying

圖3 常規(guī)及高頻真空干燥速度比較Fig. 3 Comparison of drying rate fo CK and RF/V drying

3種紅木的常規(guī)干燥及高頻真空干燥速度比較見圖3。由圖3可以看出，對于含水率較高的大果紫檀和闊葉黃檀，最初的6 h之內(nèi)，與常規(guī)干燥相比含水率下降的速度特別快，因此對于紅木薄板干燥來說，在高含水率階段高頻真空干燥更具有優(yōu)勢。此外，對于初含水率大致相同的同一樹種，干燥到10%左右的終含水率時(shí)，常規(guī)干燥的時(shí)間約為40 h，而高頻真空干燥的時(shí)間為30 h左右，整體而言高頻真空的干燥時(shí)間更短。究其原因，可從兩個(gè)方面進(jìn)行解釋：①高頻加熱屬于介電加熱，木材從內(nèi)部直接被加熱，加熱速度快，對于同樣厚度和體積的木材，預(yù)熱時(shí)間和工藝調(diào)整的升溫時(shí)間大大縮短;②本次實(shí)驗(yàn)試件的厚度較薄，初含水率相對較低，干燥過程脫除的基本上都是結(jié)合水，纖維飽和點(diǎn)以下常規(guī)干燥過程結(jié)合水的脫除基本上是在含水率梯度的作用下進(jìn)行水分?jǐn)U散，干燥速度較慢，而高頻真空干燥則不同，結(jié)合水被加熱成水蒸氣脫離結(jié)合點(diǎn)后，在木材內(nèi)部與真空干燥窯內(nèi)壓力差為驅(qū)動(dòng)力[16-18]的作用下被脫除，因此干燥速度要快的多。

3 結(jié) 論

對3種紅木薄板在相同的溫度下分別進(jìn)行了常規(guī)干燥和高頻真空干燥，對比分析了干燥材的缺陷、含水率分布、顏色變化及干燥速度，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)經(jīng)高頻真空干燥的大果紫檀、闊葉黃檀及巴里黃檀板材，無端裂、表裂及內(nèi)裂等干燥缺陷；終含水率分布均勻，無需進(jìn)行后期平衡處理。高頻真空干燥后板材質(zhì)量達(dá)到國標(biāo)二級要求，能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)工藝需要。

2)與常規(guī)干燥相比，由于真空條件下含氧量少，雖然干燥溫度相同，但經(jīng)高頻真空干燥后的木材顏色變化要小。對于色澤較淺的木材或較長的干燥時(shí)間，高頻真空干燥更能保持紅木的天然色澤。

3)與常規(guī)干燥相比，由于高頻真空加熱速度快，真空下水的沸點(diǎn)低，使木材中的水分更容易遷移。高頻真空干燥整體速度要快，尤其在高含水率范圍內(nèi)其干燥速度更快，因此高頻真空干燥更適合高含水率的紅木薄板干燥處理。

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Study on radio-frequency vacuum drying of three rosewood thin boards

LIU Honghai1, YANG Lin1*, WU Zhihui1, CAI Yingchun2, LI Xingchang3

(1.CollegeofFurnishingandIndustrialDesign,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China;2.MaterialScienceandEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China;3.TaixingFurnitureCo.,Ltd.,Zhongshan528476,GuangdongChina)

Rosewood is widely accepted by consumers as one of the most desirable materials in high valued wooden products due to its properties, wood culture and sense of touch. High valued rosewood furniture and crafts are widespread in China. However, the defects such as discoloration, crisp and cracks occurred during conventional kiln (CK) drying due to its high density and tight structure limit its utilization. Furthermore, the long CK drying periods also cause problems for the rosewood furniture manufacturing. Therefore, to obtain high drying quality of rosewood in short time, a new drying technology, radio-frequency/vacuum (RF/V), was introduced to the wood-drying industry. The RF/V drying combined with fast radio-frequency heating and low boiling point of water under vacuum conditions, which can dry wood with high rate and high quality. It has significant advantages for the drying of large dimension or high valued wood. In this study, to solve the drying defects resulted from the conventional kiln drying, RF/V and CK drying devices was used. Three rosewood species (Pterocarpusmacrocarpus,Dalbergialatifolia,Dalbergiabariensis) were dried at the same temperature with RF/V and CK schedules. The wood quality such as the final moisture contents (MC) distributions, cracks, discoloration, as well as the drying rate after drying were compared. The results showed that there were no cracks on ends, surface and inner of boards, the MC was even for all boards and the wood quality after the RF/V drying can meet the requirements of the grade 2 of GB/T 6491-2012. The average moisture content after the drying can meet the requirements of furniture factories and crafts manufacturers. The discoloration of RF/V was less compared with that of CK drying because of rare air in the drying chamber. The drying rate of RF/V was faster compared with that of CK drying due to the easy moisture moving resulted from the fast RF heating and low chamber pressure. The RF/V drying can improve drying rate, drying quality and efficiency for the drying of rosewood thin boards, which is an effective method for the drying of high valued species of rosewood.

rosewood； radio-frequency/vacuum drying； drying quality； drying rate

2016-07-25

2016-08-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31570558，31500479)；中國博士后基金面上項(xiàng)目(2015M581805)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)；江蘇省“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目。

劉洪海，男，副教授，研究方向?yàn)槟静母稍锛澳静母男?。E-mail:seaman-liu@163.com

S781.71

A

2096-1359(2017)01-0015-05