桉樹無性系大徑材干燥特性分析

劉媛 盧翠香 黃騰華 陳健波 項東云

摘要：【目的】分析桉樹無性系大徑材的干燥特性，并預(yù)測其干燥基準，為桉樹大徑材的實木利用提供科學依據(jù)?！痉椒ā坎捎冒俣仍囼灧ㄑ芯?0年生尾巨桉無性系大徑材的干燥特性，根據(jù)木材干燥過程中初期開裂、內(nèi)部開裂和截面變形3項干燥缺陷的發(fā)生程度，制定桉樹大徑材干燥基準?！窘Y(jié)果】桉樹無性系大徑材初期開裂程度2級；內(nèi)部開裂程度中等，為3級；截面變形嚴重，為4級。干燥速度為4級，干燥速度較慢，屬難干木材。體積、徑向和弦向干縮率較大，分別為19.656%、10.976%和9.451%；差異干縮值為0.861，屬差異干縮小。根據(jù)3種缺陷的等級程度，確定桉樹無性系大徑材干燥基準的基本條件：初期溫度50 ℃，初期干濕球溫度差2～4 ℃，末期溫度75 ℃；厚度為25～30 mm的桉樹無性系木材窯干至水含率10.00%所需時間為20.75 d?！窘Y(jié)論】截面變形是桉樹無性系大徑材的主要干燥缺陷，為防止其發(fā)生，在生產(chǎn)中應(yīng)以初期溫度50 ℃、初期干濕球溫度差2～4 ℃、末期溫度75 ℃為干燥基準，可根據(jù)實際情況進行適當調(diào)整。

關(guān)鍵詞： 桉樹；大徑材；干燥特性；干燥基準；百度試驗法

中圖分類號： S792.39 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）05-0896-05

Drying characteristics of Eucalyptus clones with large-diameter

LIU Yuan， LU Cui-xiang， HUANG Teng-hua， CHEN Jian-bo， XIANG Dong-yun

（Guangxi Forestry Research Institute / Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Trees Resource Cultivation / Key Laboratory of Central South Fast-growing Timber Cultivation of Forestry Ministry of China， Nanning 530002，China）

Abstract：【Objective】In the present paper， drying characteristics of Eucalyptus clones with large-diameter were studied， and the drying schedule was predicted， in order to provide scientific basis for the utilization of Eucalyptus big-diameter wood. 【Method】Drying characteristics of 10-year-old Eucalyptus clones with large-diameter were studied by 100℃ test method. On the basis of drying defects， namely initial crack， internal crack and cross-section deformation during wood drying process， the drying schedule of Eucalyptus big-diameter wood was proposed. 【Result】The initial crack was grade 2； internal crack degree was moderate， being grade 3； degree of cross-section deformation was serious， being grade 4. Drying speed was grade 4， which meant the drying speed was slow and Eucalyptus a the wood dried slowly. Volume dry shrinkage rate（19.656%）， radial dry shrinkage rate（10.976%） and tangential dry shrinkage rate（9.451%） were large； difference dry shrinkage（0.861） was small. According to the grades of the three defects， the basic conditions of drying schedule were as follows： under the condition of initial temperature 50 ℃， difference between wet and dry bulb temperatures at initial period 2-4 ℃， temperature at late drying period 75 ℃， it took 20.75 d to dry Eucalyptus clones with large-diameter with 25-30 mm thickness to 10.00% moisture content. 【Conclusion】The main defect is section deformation. In order to avoid it， the drying schedule should be initial temperature 50 ℃， difference between wet and dry bulb temperatures at initial period 2-4 ℃， temperature at late drying period 75 ℃ in actual production. This schedule can be adjusted based on specific condition.

Key words： Eucalyptus； big-diameter wood； drying characteristic； drying schedule； 100 ℃ test method

0 引言

【研究意義】桉樹是一種優(yōu)質(zhì)速生樹種，生長快，干形通直，出材率高，輪伐期短，具短時耐低溫能力，有較好的木材穩(wěn)定性和耐光性，其中桉樹無性系是南方推廣造林最多的樹種（徐建民等，2001；項東云等，2006；楊時桐，2008）。長期以來，桉樹人工林以小徑材為主，木材以紙漿和人造板為主要用途，木材利用率低，發(fā)展中大徑材用于實木加工是木材利用的新方向（殷亞方等，2001）。但桉木存在較高的生長應(yīng)力，常規(guī)干燥過程中干縮率大，易產(chǎn)生皺縮和開裂，而且我國桉樹中大徑材加工技術(shù)比較落后，極大限制了桉樹的實木利用。干燥技術(shù)是桉樹中大徑材實木加工利用的關(guān)鍵技術(shù)之一（江澤慧等，2002），因此，開展桉樹無性系大徑材干燥特性研究，對提高桉樹人工林高效利用具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】國外學者于20世紀80年代已開始研究桉木的干燥特性及工藝，Chafe（1985）對桉木皺縮和實木加工利用技術(shù)開發(fā)進行了系統(tǒng)研究；Oliver（1991）研究了不同桉樹木材的干燥模型，分析比較了維多利亞和塔斯馬尼亞的巨桉、王桉、藍桉、斜葉桉和加拉桉等幾類桉樹木材的干燥時間模型，但該模型對于板材干燥過程中的應(yīng)力分布和計算效果不佳；Innes（1995）研究了桉樹木材皺縮機理、皺縮與干燥基準、木材組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系及組織結(jié)構(gòu)的變化等。近年來，國內(nèi)不少學者也開展了桉樹干燥的相關(guān)研究。劉元等（2002）采用百度試驗法，結(jié)合真空干燥、常規(guī)干燥、常規(guī)—真空聯(lián)合干燥3種干燥方式的比較試驗，研究了檸檬桉和圓角桉人工林木材的干燥特性和干燥基準，初步確定桉樹人工林木材的干燥工藝；殷亞方（2008）研究了桉樹的鋸解和干燥問題；甘雪菲等（2010）采用百度試驗法編制了巨尾桉小徑木材的干燥基準，對桉樹扇形鋸材干燥進行初探；刁海林等（2011）采用百度試驗法預(yù)測了9年生巨尾桉木材的干燥特性和干燥基準，為實際生產(chǎn)中制定干燥工藝提供理論依據(jù)；龍傳文（2012）采用百度試驗法對粗皮桉木材的干燥特性與干燥基準進行了研究；盧翠香等（2014）采用百度試驗法預(yù)測了22年生鄧恩桉木材的干燥基準，為今后不同桉木的加工利用提供科學依據(jù)?！颈狙芯壳腥朦c】桉樹木材屬于典型的難干類木材，常規(guī)干燥方法極易產(chǎn)生皺縮和開裂，而發(fā)展桉樹中大徑材需對不同桉木進行干燥特性分析，制定合理的干燥基準，但目前有關(guān)桉樹無性系大徑材干燥基準的研究鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】分析桉樹無性系大徑材的干燥特性，初步預(yù)測桉樹木材的干燥基準，為桉樹大徑材的實木利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

試件（10年生尾巨桉）取自廣西林業(yè)科學研究院桉樹無性系。參照GB/T 1927-2009《木材物理力學試材采集方法》（殷亞方等，2009）進行采集，挑選4株樣木，樹齡10年，胸徑28～35 cm，初始水含率93.03%，基本密度0.524 g/cm3，生材密度1.007 g/cm3；參照百度試驗法進行試件加工，選擇標準的弦切板，鋸取規(guī)格200 mm×100 mm×20 mm（長×寬×高），四面刨光，取無可見缺陷、材色正常的弦切板共計14塊。

主要儀器設(shè)備：101-3A型電熱鼓風恒溫干燥箱（上虞市華南儀器設(shè)備有限公司）；廣陸3V鋰電數(shù)顯卡尺（桂林廣陸數(shù)字測控股份有限公司）；數(shù)顯螺旋測微尺（上海三量工具有限公司）。

1. 2 試驗方法

參照百度試驗法進行（戴于龍等，1985；何清慧，1998）。標準試件用天平稱重（精確0.1 g），并測量試件實際尺寸（精確0.1 mm），然后沿木材紋理方向，橫立放置于100 ℃鼓風式電熱恒溫干燥箱中進行干燥，定時觀察干燥過程中試件缺陷情況。初期每隔1 h稱量試件的重量變化，當試件表面的裂紋不再增加并開始愈合時，隔2 h觀察1次；當裂紋不再愈合，隔6 h觀察1次；待前后兩次重量差不超過0.02 g，即試件達絕干狀態(tài)，停止干燥，試驗結(jié)束。參考百度試驗法干燥缺陷分級標準，根據(jù)試件的初期開裂（斷裂和表面開裂）、內(nèi)部開裂和塌陷（截面變形）3項干燥缺陷程度（等級）確定測試木材的干燥基準初期溫度、末期溫度和干濕球溫度差（相對濕度）。試件干燥過程中水含率根據(jù)以下公式計算：

試件水含率（%）=（試件實時重量-試件全干重量）/

試件全干重量×100

2 結(jié)果與分析

2. 1 木材干燥特性分析結(jié)果

2. 1. 1 干燥缺陷等級評定 對桉樹無性系大徑材的干燥缺陷（表1）進行統(tǒng)計，根據(jù)百度試驗法干燥特性的分級標準，對試驗數(shù)據(jù)進行整理和計算，桉樹無性系木材干燥特性等級評定結(jié)果見表2。

2. 1. 2 初期開裂 木材干燥初期，初始水含率較高，沿纖維方向的端表層及垂直于纖維方向的表層水分蒸發(fā)較快，表層與內(nèi)部收縮不均勻而形成水含率差，產(chǎn)生干燥應(yīng)力，當干燥應(yīng)力超過木材橫紋承受的拉伸極限強度時，極易產(chǎn)生初期開裂（劉志軍和張璧光，2006；龍傳文，2012）。在第1次觀察中（進烘箱0.5 h），試件均未發(fā)生開裂；干燥1 h后，50%的弦切板出現(xiàn)端表裂；2 h后，端表裂的弦切板增加到60%，部分出現(xiàn)表裂，50%的弦切板出現(xiàn)貫通裂。隨著干燥時間的延長，試件水含率逐漸降低，裂紋長度及寬度逐漸增大，裂紋數(shù)量逐漸增多。干燥7 h左右，初期開裂達最大值，之后初期開裂程度趨于穩(wěn)定，部分裂紋開始愈合。百度試驗結(jié)果（表2）表明，桉樹無性系大徑材初期開裂程度中等，主要出現(xiàn)端裂和表裂現(xiàn)象，等級為2級。

2. 1. 3 內(nèi)部開裂 內(nèi)部開裂是一種較嚴重的干燥缺陷，在干燥后期，木材的表層硬化嚴重，木材內(nèi)部承受的應(yīng)力大于木材的橫紋抗拉強度，易發(fā)生內(nèi)部開裂（王喜明，2007）。本研究干燥時間為77 h，弦切板的內(nèi)部開裂發(fā)生在干燥末期，將試件從中間鋸開觀測，發(fā)現(xiàn)大部分弦切板產(chǎn)生內(nèi)部開裂，嚴重的寬裂多達11條。根據(jù)百度試驗法干燥缺陷及干燥速度分級標準判定，桉樹無性系大徑材內(nèi)部開裂等級為3級。

2. 1. 4 截面變形 在干燥過程中，木材內(nèi)層水含率和表層水含率存在差異，木材表面硬化，使木材產(chǎn)生截面變形（龍傳文，2012）。干燥結(jié)束后，從試件長度方向的中央部位鋸開后觀測，標準試件的截面變形嚴重，均出現(xiàn)皺縮現(xiàn)象，試件弦切板截面變形值為1.02～4.78 mm，平均值為2.12 mm，綜合評價其截面變形等級為4級。

2. 1. 5 翹曲變形 百度試驗結(jié)果（表1）顯示，桉樹無性系大徑材扭曲變形中順彎、橫彎、瓦彎和扭曲均值分別為1.08、0.57、2.91和2.36 mm，參照百度試驗法干燥缺陷分級標準，等級分別為2級、1級、3級和2級。其中瓦彎變形最嚴重。

2. 1. 6 干燥速度 由圖1可知，弦切板初始水含率平均值為93.03%，干燥結(jié)束時水含率平均值為1.55%，全程干燥用時77 h，平均干燥速度1.19%/h。試材水含率從初始值干燥降至30.00%左右用時11 h，平均干燥速度為5.72%/h；水含率由30.00%降至5.00%用時24 h，平均干燥速度為1.04%/h，干燥速度逐漸減慢。參照百度試驗法干燥缺陷及干燥速度分級標準，桉樹無性系大徑材干燥速度評定為4級，干燥速度較慢，屬難干類木材。

2. 1. 7 干縮特性 木材差異干縮（D）是木材弦向干縮與徑向干縮的比值，反映木材干燥過程中是否容易翹曲和開裂，可分為三級：D<1.500為?。?.500≤D≤2.000為中；D>2.000為大（劉一星，2004）。由表3可知，桉樹無性系大徑材的體積、弦向和徑向干縮率較大，而縱向干縮率較小；徑向干縮率大于弦向干縮率；差異干縮值為0.861，體積干縮系數(shù)為0.691%，均屬小。說明桉樹木材在干燥過程中尺寸較穩(wěn)定，不易翹曲和開裂。

2. 2 木材干燥時間估算

木材干燥時間參照戴于龍等（1985）的方法進行估算，根據(jù)初期干濕球溫度差和試件水含率降至1.00%所需時間兩個條件查詢。本研究中，木材水含率從93.03%降至1.00%用時77 h，初期干濕球溫度差為2 ℃，查詢對應(yīng)的干燥時間分別為19.50和22.00 d，平均為20.75 d，即厚度為25～30 mm的桉樹無性系板材窯干至水含率10.00%所需時間為20.75 d。

2. 3 木材干燥基準的編制

通過百度試驗法獲得桉樹無性系大徑材3種缺陷的等級程度（表2），確定桉樹無性系大徑材的初期溫度為50 ℃，初期干濕球溫度差為2 ℃，末期溫度為75 ℃，參照何清慧（1998）研究中與干燥缺陷相對應(yīng)的干燥條件，將其確定為桉樹無性系大徑材干燥的初步條件（表4）。

參照百度試驗法所列干燥條件中選出最低值作為桉樹無性系大徑材干燥基準的基本條件，即初期溫度50 ℃，干燥初期干濕球溫度差2～4 ℃，末期溫度75 ℃。經(jīng)計算，試件初始水含率為94.13%，參照國家林業(yè)行業(yè)標準LY/T 1068-2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》（龔仁梅等，2012）中水含率與干濕球溫度差關(guān)系表，制定桉樹無性系大徑材的干燥基準（表5）。

3 討論

本研究中，10年生桉樹無性系大徑材初期開裂程度為2級，內(nèi)部開裂嚴重達3級，截面變形達4級，與劉元等（2002）的研究結(jié)果一致，截面變形是桉樹的主要干燥缺陷。為防止截面變形的發(fā)生，干燥初期初始溫度不宜過高，50 ℃較合適，干濕球溫度差不能太大，溫差以2～4 ℃為宜；為避免扭曲變形，末期干燥溫度也不能過高，以75 ℃為宜。刁海林等（2011）對9年生巨尾桉木材干燥特性進行研究，得出干燥基準的基本條件中干燥末期溫度為75 ℃，與本研究結(jié)果相同。在干燥工藝中，為了減少桉樹無性系大徑材內(nèi)裂的產(chǎn)生，干燥的末期溫度不能過高。

桉樹無性系大徑材的干燥速度為4級，干燥速度較慢，屬難干類木材；木材的體積、弦向和徑向干縮率較大，縱向干縮較小，但差異干縮值為0.861，屬差異干縮小，結(jié)果與桉樹木材易皺縮的特性相悖。劉元等（2002）研究發(fā)現(xiàn)，圓角桉干燥速度為4級，檸檬桉干燥速度為5級，定性桉樹為難干材；盧翠香等（2014）研究表明，鄧恩桉干燥速度為4級，屬難干木材，均與本研究結(jié)果一致。但刁海林等（2011）研究巨尾桉干燥速度為2級，屬易干燥樹種，與本研究結(jié)果相反。這是由于桉樹木材材性變異較大，不同桉屬木材在干燥特性方面存在個性差異，木材的干縮特性與木材的紋理方向相關(guān)，還與木材的加工尺寸有關(guān)，因此需對不同桉屬不同樹齡的桉木進行特性研究，綜合分析桉樹的干燥特性。

由于桉樹干燥容易皺縮和開裂，導(dǎo)致桉樹實木加工利用困難，本研究制定的桉樹大徑材干燥基準為桉樹鋸材干燥工藝研究提供理論依據(jù)，對提高桉樹實木利用有一定的研究意義。但是，此干燥基準是試驗條件得出的理論基準，在生產(chǎn)過程中還需根據(jù)實際情況調(diào)整干燥工藝和優(yōu)化，減少木材降等。

4 結(jié)論

截面變形是桉樹無性系大徑材的主要干燥缺陷，為防止其發(fā)生，在實際生產(chǎn)中應(yīng)以初期溫度50 ℃、初期干濕球溫度差2～4 ℃、末期溫度75 ℃為干燥基準，并根據(jù)實際情況進行適當調(diào)整。

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（責任編輯 羅 麗）