大斷面歐洲赤松的真空變定—高頻干燥1)

劉洪海 楊琳 吳智慧 姜濤 李興暢

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (華南農(nóng)業(yè)大學(xué)) (太興家具有限公司)

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大斷面歐洲赤松的真空變定—高頻干燥1)

劉洪海 楊琳 吳智慧 姜濤 李興暢

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (華南農(nóng)業(yè)大學(xué)) (太興家具有限公司)

對大斷面歐洲赤松(Pinussylvestris)進(jìn)行真空變定/真空高頻干燥及高溫變定/高溫干燥，對比研究木材表面變定對干燥材含水率分布、顏色變化及開裂的影響。結(jié)果表明：與高溫變定/高溫干燥相比，真空變定/真空高頻干燥后木材含水率在長度及厚度方向分布均勻，但厚度方向上與高溫干燥相反，呈現(xiàn)心層低、表層高的趨勢?？偺幚頃r間基本一致，但高頻真空干燥時間比高溫干燥少9 h，干燥速度更快。高溫干燥的L*、a*、b*及ΔE*的變化幅度分別是高頻真空干燥的2.9、1.8、3.0及2.9倍，高頻真空干燥后木材變色小，干燥后表面開裂寬度及長度比均小于高溫干燥。干燥后木材含水率及開裂符合GB/T 6491—2012Ⅲ級室外建筑用材標(biāo)準(zhǔn)，對大斷面木材做真空變定/真空高頻干燥是一種更為優(yōu)良的干燥方法。

真空變定；高頻真空干燥；大斷面木材；干燥質(zhì)量

Scots pine (Pinussylvestris) with large cross sections were dried using radio-frequency/vacuum and high temperature after vacuum setting and high temperature setting respectively. Compared with high temperature setting, the moisture content distribution along fiber and cross section after vacuum setting-drying was even, while that was low in the central location and high in the outer location at the cross section. The total treatment time was almost same, but radio-frequency/vacuum drying was faster as much as 9 h. The discoloration parameter ofL*,a*,b*and ΔE*were 2.9, 1.8, 3.0 and 2.9 times to radio-frequency/vacuum. The surface crack situation was smaller than high temperature drying. The moisture content distribution and cracks met the national standard GB/T6491-2012Ⅲ, and the vacuum setting with radio-frequency/vacuum drying was a practical drying method for large dimension timbers.

木材是一種黏彈性材料，在水分變動條件下受到外力作用時，其變形異常增大[1]。在外力解除后，所形成的變形大部分殘留為永久變形[2]，木材這種在應(yīng)力條件下干燥過程中發(fā)生的變形現(xiàn)象稱之為變定[3]。干燥過程中形成的變定使材料產(chǎn)生表面硬化、應(yīng)力集中等問題，在一定程度上影響了木材的使用[4]。但利用干燥過程產(chǎn)生的變定能有助于減少木材表面開裂，而且還能改善某些特殊尺寸木材的干燥質(zhì)量。

近幾年來，我國木結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)迅猛發(fā)展[5]，大量的大尺寸木材需要高效、快速、高質(zhì)量的干燥。在日本等發(fā)達(dá)國家利用高溫變定[6-11]處理大斷面木材，通過飽和蒸汽蒸煮木材使表面細(xì)胞軟化，然后在120 ℃左右的高溫低濕條件下使木材表面急速干燥，導(dǎo)致軟化后處于拉伸狀態(tài)的木材表面被塑化固定，進(jìn)而減少高溫干燥產(chǎn)生的表面開裂。但是經(jīng)過高溫變定處理及干燥的木材存在變色嚴(yán)重、木材強(qiáng)度下降、干燥后期容易產(chǎn)生內(nèi)裂等問題，降低了木材干燥質(zhì)量。

高頻真空干燥能在較低的溫度下快速干燥木材，既能保證木材的天然色澤，又能保證干燥速度和良好的品質(zhì)[12-17]，尤其適合于大斷面木材的干燥。本研究利用高頻真空聯(lián)合干燥設(shè)備，在真空負(fù)壓條件下對木材表面進(jìn)行塑化變定處理，然后再進(jìn)行高頻真空干燥，并與高溫變定干燥進(jìn)行對比，研究真空塑化變定干燥對木材含水率、開裂、變色等干燥質(zhì)量的影響。通過上述實(shí)驗(yàn)來探討抑制大斷面木材表面和內(nèi)部開裂及變色等問題的真空變定/高頻干燥的方法和工藝。

1 材料及方法

1.1 材料

大斷面歐洲赤松方材(Pinussylvestris)，當(dāng)?shù)啬静氖袌鲑徶?，產(chǎn)地芬蘭，為含髓心方材，初含水率約為50%。規(guī)格260 mm×135 mm×4 000 mm，合計27根。3根用于初含水率檢測，另外24根分別用于真空變定/真空干燥和高溫變定/高溫干燥。

1.2 設(shè)備

高頻真空熱風(fēng)聯(lián)合干燥設(shè)備，型號HTC-5，有效容積為5 m3(株式會社Yasujima)，用于木材真空變定處理及后期高頻真空干燥；高溫干燥設(shè)備，型號Nagano kagaku HTD-8，有效容積8 m3(株式會社Nagano)，用于材高溫變定處理及后期高溫干燥；CR-321 Croma全自動色差儀(株式會社Minolta)，用于木材干燥前后顏色的測定。

1.3 方法

1.3.1 含水率及表面開裂檢測

初含水率檢測：在27根試材中選取質(zhì)量較大的3根試材，兩端頭起200 mm及試材中間位置處截取20 mm厚初含水率試片3片，共計9片；利用烘干法測量含水率，取平均值為初含水率。

終含水率及其分布：干燥結(jié)束后，選取6根(見圖1b)代表性木材，在每根試材兩端起200 mm及中間位置處，截取3片20 mm厚終含水率試片，共計18片。按圖1c所示方式標(biāo)記并劈切，首先沿y軸方向劈下表層左右2塊木塊，然后再沿x軸方向劈下表層上下2塊木塊；按照上述方法再次劈下中間層的左右及上下4塊木塊；最后剩下的就是心層木塊。將劈下的所有含水率試件立即放入密封袋內(nèi)，最后利用烘干法[18]測量含水率試片表層、中間層及心層的含水率，進(jìn)而評價其干燥后含水率分布情況。

表面開裂：參照GB/T 6491—2012，測量所選6根試材的表面開裂長度及寬度。表裂寬度在0.5 mm以上做統(tǒng)計，并取平均值；表裂長度自開裂起點(diǎn)起，測量裂紋的全長，在材長上將根裂紋彼此相隔不足3 mm的連貫起來計算裂紋，相隔3 mm以上的測量其中最嚴(yán)重的一根裂紋，計算開裂長度與材料總長度的長度比并取平均值。通過與高溫變定法進(jìn)行比較來評價真空變定對表面開裂的抑制作用。

a.試材裝載 b.終含水率檢測位置 c.分層含水率檢測示意

圖1 試材裝載及含水率檢測

1.3.2 真空表面塑化變定干燥工藝

工藝過程(表1)：①真空蒸煮(罐內(nèi)壓力9.3～10.0 kPa，蒸煮93 ℃，保持4 h)；②真空表面塑化變定處理(罐內(nèi)壓力44.0～46.7 kPa，干球溫度92～94 ℃，濕球溫度78～80 ℃，保持22 h)；③高頻真空干燥(罐內(nèi)壓力40.0～42.7 kPa，材溫70 ℃，高頻0.66 kW/m3，8.0 h；1.33 kW/m3，24.0 h；1.77 kW/m3，干燥終了)。

在蒸煮之前對真空罐進(jìn)行預(yù)真空處理，使罐內(nèi)的壓力降低至9.3～10.0 kPa，通過預(yù)真空來除去真空罐內(nèi)木材之間的空氣來實(shí)現(xiàn)木材快速蒸煮、加熱。經(jīng)過4 h、93 ℃蒸汽蒸煮后進(jìn)入真空變定階段，此時提高罐內(nèi)壓力至44.0～46.7 kPa，開啟頂層極板上部加熱器和循環(huán)風(fēng)扇，對材堆進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)對流加熱，維持罐內(nèi)干球溫度93 ℃，整個真空變定階段風(fēng)扇每隔2 h進(jìn)行自動換向。此階段，由于木材表面溫度為93 ℃，而對應(yīng)于環(huán)境壓力(44.0～46.7 kPa)的水的沸點(diǎn)為78～80 ℃，因此經(jīng)過蒸煮后木材表層的水分能夠急速蒸發(fā)，進(jìn)而使木材表面快速干燥并形成塑化變定。經(jīng)22 h的塑化變定處理之后，在真空條件下，控制材溫為70 ℃左右，利用高頻干燥來抑制內(nèi)裂和木材變色。

1.3.3 高溫塑化變定干燥工藝

工藝過程(表1)：①蒸煮過程(93 ℃，保持4 h)；②高溫塑化變定過程(120 ℃，保持10 h)；③高溫干燥過程(110 ℃，61 h)。將干燥試材放置在高溫干燥設(shè)備內(nèi)，首先進(jìn)行木材蒸煮，濕球溫度設(shè)置為93 ℃，待濕球溫度升高到93 ℃后，保持4 h；然后對干燥材實(shí)施高溫塑化變定，升高干球溫度至120 ℃，調(diào)整濕球溫度為90 ℃，變定處理時間10 h；變定處理之后進(jìn)入木材高溫干燥階段，保持干球溫度110 ℃、濕球溫度90 ℃至干燥結(jié)束。

1.3.4 干燥后木材顏色變化檢測

真空變定及高溫變定干燥前，各選取前述用于含水率檢測的6根木材，在每根木材兩端及中間的位置6點(diǎn)作標(biāo)記，測量其L*、a*和b*及ΔE值。其中：L*為明度，a*為紅綠色品指數(shù)，b*為黃藍(lán)色品指數(shù)；ΔE*(總色差)=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2，數(shù)值越大，表示干燥前后試材顏色差別越大。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)值的變化來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)。

表1 真空及高溫干燥變定處理?xiàng)l件、干燥時間及干燥后終含水率

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥后木材含水率及其分布

表2是高頻真空塑化變定干燥及高溫變定干燥前后的含水率情況，干燥后的平均含水率[18]由終含水率檢測試片含水率的平均值計算得到?？梢钥闯龈稍锴霸嚥牡暮什町愝^大，最高與最低含水率差為25.8%，表明生材的含水率分布不均勻。高頻真空干燥后的平均含水率最大差值為5.7%，從均方差的比較中也可以看出，真空塑化變定干燥后試材的含水率分布變得均勻，與高溫干燥基本一致。表3是干燥后含水率沿木材長度方向及木材橫斷面上的分布情況?？梢钥闯?，無論是高頻真空干燥還是高溫干燥，含水率在長度方向上的分布比較均勻，但在厚度方向上可以明顯看出含水率分布差異。高頻真空干燥和高溫干燥含水率在厚度方向分布趨勢不同，高頻真空干燥的心層含水率最低，表層含水率要高于中間層和心層；而高溫干燥則呈現(xiàn)心層含水率最高，由芯層到表層逐漸降低的趨勢。在厚度方向分布均勻程度方面看，高頻真空干燥表層和中間層差異大，而高溫干燥要小，心層的差異大體一致。由此可知，高頻真空加熱干燥含水率分布在厚度方向上是有差異的，這也符合以往文獻(xiàn)中的介紹[19]。通過比較，本次干燥實(shí)驗(yàn)的終含水率及其在斷面、長度方向上的分布均滿足日本JAS構(gòu)造用材II級和我國GB/T 6491—2012Ⅲ級室外建筑用材標(biāo)準(zhǔn)。

表2 真空及高溫干燥變定處理前后木材含水率 %

表3 真空及高溫變定干燥后木材含水率分布 %

2.2 干燥時間比較

表1是真空塑化變定干燥和高溫變定干燥條件及干燥時間的對比。兩種干燥方法均由蒸煮、變定及干燥3個階段組成。從總時間上看，高頻真空干燥時間略長，但是真空條件下高頻干燥的時間只有52 h，而高溫干燥是61 h。雖然在蒸煮和真空變定階段木材中有一部分水分被脫除，但大部分水分的脫除還是在高頻真空干燥階段，因此高頻真空干燥的速度要快。負(fù)壓和高頻內(nèi)部加熱，加速木材內(nèi)部水分在低溫條件下快速氣化甚至沸騰，水分以氣體形式在內(nèi)外壓力差的作用下快速遷移到木材外部。此外，可以看出真空變定處理的時間是22 h，而高溫變定只有10 h，比高溫變定多12 h，導(dǎo)致總時間變長。

2.3 干燥后木材顏色變化

表4是真空塑化變定干燥和高溫變定干燥后木材變色的對比?？梢钥闯鰞煞N干燥方式使試材的L*、a*和b*均有改變，但高溫干燥對試材顏色變化影響顯著?？芍邷刈兌ǜ稍锏腖*值降幅為16.5%，a*增幅為54.3%，b*增幅為65.1%，與真空塑化變定相比L*、a*和b*的變化幅度分別為2.9、1.8、3.0倍。此外，高溫干燥ΔE*(總色差大小值)是塑化變定干燥的2.9倍。經(jīng)目視觀察，真空塑化變定干燥后的試材顏色變化很小，而高溫干燥后試材呈現(xiàn)黃褐色。高溫干燥導(dǎo)致木材顏色變化較大可能是半纖維素的降解和木質(zhì)素的綜合反應(yīng)所致，由此可知與高溫干燥相比，真空塑化變定干燥對木材變色影響很小。

表4 真空塑化變定及高溫變定干燥后材色比較

2.4 干燥后的木材開裂

表5是經(jīng)過兩種變定處理及干燥后的木材開裂情況。干燥結(jié)束后統(tǒng)計了所選6根試材的表面開裂長度及寬度。對表裂寬度在0.5 mm以上的進(jìn)行統(tǒng)計，并取其平均值進(jìn)行比較。開裂長度則由開裂起點(diǎn)起，測量裂紋的全長。在材長上將根裂紋彼此相隔不足3 mm的連貫起來計算裂紋長度；相隔3 mm以上的開裂則測量其中最嚴(yán)重的一根裂紋，最后計算開裂長度與材料總長度的長度比，并取平均值進(jìn)行比較?？芍瑑煞N塑化變定處理及干燥后木材的開裂情況大體一致，真空塑化變定干燥的開裂寬度及開裂長度比都小于高溫干燥。真空條件下干燥溫度較低，水分以蒸汽的形式從木材內(nèi)排出，干燥應(yīng)力變小，加之前期表面塑化變定處理[12]，有效抑制了木材的表面開裂。通過終含水率試驗(yàn)片觀察檢測，干燥后試件均無內(nèi)部開裂發(fā)生。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足日本JAS構(gòu)造用材II級和GB/T 6491—2012Ⅲ級室外建筑用材標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于開裂方面的要求。與常規(guī)低溫蒸汽窯干相比，高頻真空及高溫干燥都是快速的干燥方法[13，15]。本次試驗(yàn)中的真空塑化變定處理干燥工藝取得與傳統(tǒng)高溫變定處理相同的效果，不僅有效防止大斷面木材干燥過程的表面開裂，還能減少木材變色，是一種更為理想的干燥工藝，為我國木結(jié)構(gòu)建筑大斷面木材干燥提供有益的參考。

表5 真空變定干燥和高溫變定干燥材的開裂對比

3 結(jié)論

真空變定/真空高頻干燥后木材含水率在長度及厚度方向分布均勻，但厚度方向上與高溫干燥相反，呈現(xiàn)心層含水率低、表層含水率高的趨勢。兩種變定/干燥方法的總處理時間基本一致，但經(jīng)變定處理后真空高頻干燥時間比高溫干燥少9 h，干燥速度更快。

高溫干燥的L*、a*、b*及ΔE*的變化幅度分是真空高頻干燥的2.9、1.8、3.0及2.9倍，真空變定/真空高頻干燥后木材變色小。真空變定/真空高頻干燥后表面開裂寬度及長度比均小于高溫變定/高溫干燥。真空變定/真空高頻干燥是一種快速且高品質(zhì)的大斷面木材干燥方法。

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Effect of Vacuum Drying Set and Radio-frequency/vacuum Drying on Wood Quality//

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Journal of Northeast Forestry University，2017,45(2)：61-64.

Vacuum drying set； Radio-frequency/vacuum drying; Large cross section timber； Drying quality

1)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)；青藍(lán)工程資助。

劉洪海，男，1975年6月生，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，副教授。E-mail:seaman-liu@163.com。

楊琳，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，副教授。E-mail：forest-yang@163.com。

2016年10月17日。

S781.71

責(zé)任編輯：戴芳天。