銀腺楊木材干燥特性初步研究

張新宇， 孫照斌， 李 星， 劉朝華， 武素然

(1.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；3.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；4.河北省易縣洪崖山國有林場管理局，河北 保定 074200)

研究與設(shè)計(jì)

銀腺楊木材干燥特性初步研究

張新宇1， 孫照斌2， 李 星3， 劉朝華4， 武素然4

(1.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；3.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；4.河北省易縣洪崖山國有林場管理局，河北 保定 074200)

采用百度試驗(yàn)法對(duì)銀腺楊進(jìn)行了干燥特性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：銀腺楊初期開裂為4級(jí)，內(nèi)裂為1級(jí)，截面變形為2級(jí)；銀腺楊的干燥速度等級(jí)為1級(jí)，屬于易干木材。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步擬訂了銀腺楊的干燥基準(zhǔn)。

百度實(shí)驗(yàn)法；銀腺楊；干燥特性；干燥基準(zhǔn)

銀腺楊是腺楊和銀白楊雜交培育品種，為白楊派的一種[1]，1984年我國成功將其引入，并由中國林業(yè)科學(xué)研究院在1987年將其引入陜西[2]，是迄今為止我國栽培數(shù)量最多的楊樹品種之一。銀腺楊抗逆性好，生長速度快，樹皮光滑，樹干通直，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)防風(fēng)固沙有良好的作用，常用于丘陵造林[3]。

銀腺楊為速生材的一種，材質(zhì)較軟，密度偏低，在干燥過程中容易產(chǎn)生皺縮、變形、開裂等缺陷，因此降低了木材的使用品質(zhì)。為提高銀腺楊的使用效率，拓寬其使用范圍，本文以銀腺楊為研究對(duì)象，利用百度試驗(yàn)法對(duì)其干燥特性進(jìn)行研究，以獲得最佳的干燥基準(zhǔn)，為銀腺楊生產(chǎn)及后期利用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)銀腺楊：采集于河北省保定市易縣洪崖山林場，胸徑約45 cm，樹高30 m，截取高度2.0 m樹段用作試材。

(2)對(duì)照組毛白楊：采集于河北省保定市易縣洪崖山林場，胸徑約40 cm，樹高25 m，截取高度2.0 m樹段用作試材。

將樹段鋸解成板材，然后選取無外觀缺陷、材質(zhì)均勻的弦切板作為試件，試件尺寸為200 mm(L)×100 mm(T)×20 mm(R)，而且要求六面刨光。銀腺楊初含水率均值為77.6%，毛白楊初含水率均值為56.7%。制取10 mm×10 mm×10 mm大小的試樣進(jìn)行顯微構(gòu)造觀察。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

高精度圓鋸機(jī)(德國FESTOOL)；鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏儀器有限公司生產(chǎn))；電子天平(精度0.01 g)；數(shù)顯游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)；塞尺(精度0.01 mm)；直尺(精度0.5 mm)。

1.3 試驗(yàn)方法

銀腺楊百度實(shí)驗(yàn)法參照相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行[4]。首先對(duì)干燥完成后的試件進(jìn)行稱重和尺寸測量，同時(shí)進(jìn)行扭曲值、截面變形和內(nèi)裂的測量記錄，并根據(jù)初期開裂、截面變形、內(nèi)部開裂編定干燥基準(zhǔn)[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微構(gòu)造

銀腺楊三切面微觀構(gòu)造如圖1所示。銀腺楊橫切面管孔分布均勻，為散孔材，部分導(dǎo)管內(nèi)具侵填體；單管孔及徑列復(fù)管孔的管孔鏈極少，導(dǎo)管多為單穿孔，導(dǎo)管間紋孔呈卵圓形，管間紋孔多數(shù)互列，少數(shù)對(duì)列；軸向薄壁組織極少，呈稀星散狀排列；木射線非疊生，射線組織同形單列，單列射線高4～24個(gè)細(xì)胞，多數(shù)射線高15～20個(gè)細(xì)胞。

圖1 銀腺楊三切面微觀構(gòu)造(10×)

2.2 木材干燥特性

銀腺楊與毛白楊干燥缺陷及干燥速度見表1。由表1可知，銀腺楊初期開裂為4級(jí)，截面變形為2級(jí)，內(nèi)裂為1級(jí)，扭曲變形為4級(jí)，干燥速度為1級(jí)；毛白楊初期開裂為2級(jí)，截面變形為2級(jí)，內(nèi)裂為1級(jí)，扭曲變形為3級(jí)，干燥速度為2級(jí)。

2.2.1 初期開裂

試件置于烘箱中1 h后取出，銀腺楊出現(xiàn)端裂，并且隨著時(shí)間的延長裂隙逐漸增大。當(dāng)含水率降至30%左右時(shí)，表面裂紋的大小和數(shù)量不再發(fā)生變化，部分裂紋開始愈合。參照木材干燥缺陷及干燥速度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)銀腺楊初期開裂情況進(jìn)行分級(jí)結(jié)論為：銀腺楊初期開裂嚴(yán)重，開裂等級(jí)為4級(jí)。

銀腺楊初含水率高，當(dāng)試件置于高溫低濕環(huán)境時(shí)自由水迅速蒸發(fā)。微觀構(gòu)造顯示銀腺楊纖維方向通直，端部表層水分的排出速度過快，導(dǎo)致木材表面與內(nèi)部含水率梯度過大，當(dāng)表層受到的拉應(yīng)力超過木材的抗拉強(qiáng)度時(shí)便形成初期開裂；隨著干燥過程的繼續(xù)進(jìn)行，自由水蒸發(fā)殆盡，吸著水開始蒸發(fā)，木材內(nèi)部開始收縮，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)拉外壓的應(yīng)力分布，使裂紋逐漸愈合。

2.2.2 內(nèi)部開裂

由表1所示的結(jié)果可以看出，銀腺楊未出現(xiàn)內(nèi)部開裂，等級(jí)為1級(jí)。

在干燥過程中，木材表面持續(xù)受到拉應(yīng)力的作用而產(chǎn)生殘余變形，造成表面硬化。隨著干燥的繼續(xù)進(jìn)行，銀腺楊內(nèi)部含水率低于FSP，出現(xiàn)收縮；此時(shí)木材表面含水率偏低，收縮微小。收縮差異的存在使木材內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)部的拉應(yīng)力大于細(xì)胞之間的結(jié)合力時(shí)木材就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)裂[6]，內(nèi)裂主要發(fā)生在干燥后期[7]。為控制內(nèi)裂的產(chǎn)生，應(yīng)相應(yīng)地調(diào)整干燥后期的溫度。

2.2.3 截面變形

干燥完成后的試件沿軸向中心鋸開，其截面厚度變化量的最大值即為截面變形量。由表1可知，銀腺楊截面變形程度為2級(jí)，屬于輕微變形。

在高溫環(huán)境下，由于銀腺楊含水率高，水分會(huì)迅速擴(kuò)散，致使細(xì)胞腔內(nèi)的壓力小于外界的大氣壓，而且楊樹木纖維壁薄[8-10]，細(xì)胞容易出現(xiàn)塌陷，造成板面厚度不均勻。產(chǎn)生截面變形的主要原因是干燥初期溫度過高、濕度過低，所以在干燥過程中要對(duì)初期的干燥溫度和濕度進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。

表1 銀腺楊與毛白楊干燥缺陷及干燥速度表

樹種序號(hào)初期開裂等級(jí)內(nèi)裂等級(jí)截面變形/mm等級(jí)干燥速度/h等級(jí)扭曲值/mm等級(jí)1無1無103619163642有4無10862815163銀腺楊3有4無110229161244有3無1096210165645有4無114439134436有4無1101210173641有2無1076210157632有1無115821224583毛白楊3無1無1096210150634有1無1144311244435有2無111631225163

2.2.4 扭曲變形

干燥后銀腺楊的弦切板會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲變形，扭曲等級(jí)為4級(jí)。

木材屬各向異性材料，在干燥過程中由于收縮不均勻使木材出現(xiàn)翹曲變形。木材試件是弦切板，在厚度方向上收縮率存在差異，而且木射線的抑制作用也會(huì)使徑向收縮小，弦向收縮大，致使銀腺楊的弦切板在干燥過程中會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的扭曲變形。

2.3 干燥速度

銀腺楊與毛白楊百度實(shí)驗(yàn)的干燥時(shí)間與干燥速度見表2。

表2 干燥時(shí)間與干燥速度

樹種W初/%干燥時(shí)間/h30%～5%W全程干燥速度/%·h-130%～5%W全程干燥等級(jí)銀腺楊7769320362431級(jí)毛白楊56711240442361級(jí)

干燥速度通常由含水率從30%降至5%所需的時(shí)間來評(píng)定，由表2可知，銀腺楊的干縮速度比毛白楊快，其中銀腺楊含水率從30%干縮到5%所用的平均時(shí)間是9 h，平均干燥速度為0.36 %/h，干燥速度等級(jí)是1級(jí)，屬于易干木材。

干燥速度是木材干燥難易程度的表征之一，其反映了木材內(nèi)部水分向外流動(dòng)的快慢，與木材構(gòu)造有關(guān)。由于銀腺楊的橫切面管孔分布均勻，導(dǎo)管內(nèi)侵填體少，水分?jǐn)U散通道暢通，因此有利于干燥。

銀腺楊從初含水率77.6%降至1%需耗時(shí)32 h，初期干濕球溫度差為3℃，最終得出厚度為25 mm的銀腺楊在室干條件下，含水率干燥到10%所需的時(shí)間為10天。毛白楊從含水率56.7%降至1%需耗時(shí)24 h，初期干濕球溫度差為4℃，最終得出厚度為25 mm的毛白楊在室干條件下，含水率干燥到10%所需的時(shí)間為7天。

2.4 干縮特性

木材的干縮特性是木材干縮濕脹的體現(xiàn)，是木材干燥及加工利用過程的重要特性，在一定程度上反映了木材的開裂和變形。

銀腺楊與毛白楊干縮特性見表3。對(duì)干燥前后試件的徑向、弦向、縱向尺寸進(jìn)行測量，得出銀腺楊的弦向全干干縮率為7.81%，徑向全干干縮率為3.65%，弦向干縮是徑向干縮的2.14倍，弦向干縮與徑向干縮的差異使得銀腺楊的扭曲變形嚴(yán)重。銀腺楊的弦向干縮系數(shù)為0.26%，徑向干縮系數(shù)為0.12%，弦向、徑向差異干縮比值為2.14﹥1.5，差異干縮較大，這在一定程度上說明了銀腺楊的開裂和扭曲變形較嚴(yán)重，尺寸穩(wěn)定性較差。由表3可知，銀腺楊與毛白楊徑向干縮在0.05水平上存在差異，在弦向及體積干縮上無顯著性差異(P﹥0.05)。

表3 銀腺楊與毛白楊干縮特性

樹種類別弦向干縮率/%徑向干縮率/%體積干縮率/%銀腺楊均值7813651111變異系數(shù)374575439毛白楊均值7403271011變異系數(shù)513629688差異性P0228NS0039?0058NS

注：*表示在0.05水平上有顯著性差異；NS表示差異不顯著。

2.5 銀腺楊的干燥基準(zhǔn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的銀腺楊與毛白楊干燥缺陷及干燥速度等級(jí)，并結(jié)合與干燥缺陷等級(jí)相對(duì)應(yīng)的干燥條件，繪制干燥條件表，見表4。

表4 與干燥缺陷等級(jí)相對(duì)應(yīng)的干燥條件表

干燥缺陷干燥條件類別銀腺楊毛白楊初期開裂級(jí)別初始溫度/℃初期干濕球溫差/℃末期最高溫速/℃·h-14502～3802704～695截面變形級(jí)別初始溫度/℃初期干濕球溫差/℃末期最高溫速/℃·h-12704～7902704～790內(nèi)裂級(jí)別初始溫度/℃初期干濕球溫差/℃末期最高溫速/℃·h-11805～7951805～795

從表4中選出最低條件作為銀腺楊與毛白楊干燥的基本條件，銀腺楊干燥初期溫度為50 ℃，干濕球溫度差為2 ℃，終期溫度為80 ℃，初含水率為77.6%；毛白楊干燥初期溫度為70 ℃，干濕球溫度差為4 ℃，終期溫度為90 ℃，初含水率為56.7%。根據(jù)含水率與干濕球溫度差關(guān)系制定銀腺楊與毛白楊的干燥基準(zhǔn)，結(jié)果見表5和表6。

表5 25 mm厚銀腺楊的初步干燥基準(zhǔn)

MC/%干球溫度/℃干濕球溫度差/℃相對(duì)濕度/%干燥時(shí)間/d75以上5024875-505525350-406035740-35655601035-307086230-2575185325以下803050

表6 25 mm厚毛白楊的初步干燥基準(zhǔn)

MC/%干球溫度/℃干濕球溫度差/℃相對(duì)濕度/%干燥時(shí)間/d50以上7046650～357146735～307366730～2575966725～2080156520～1585256015以下903060

3 結(jié)論

(1)顯微構(gòu)造方面，橫切面上銀腺楊管孔分布均勻，導(dǎo)管多為單穿孔，導(dǎo)管間紋孔圓形至卵圓形，軸向薄壁組織較少，木射線非疊生，單列射線高4～24個(gè)細(xì)胞。

(2)干燥特性方面，銀腺楊初期開裂和扭曲變形比較嚴(yán)重，主要是銀腺楊的初含水率高，開裂較大，且弦向干縮約為徑向干縮的兩倍，木射線抑制作用強(qiáng)致使扭曲變形嚴(yán)重，無內(nèi)裂，截面變形輕微。

(3)干燥速度方面，銀腺楊的橫切面管孔分布均勻，導(dǎo)管內(nèi)侵填體少，水分?jǐn)U散通道暢通，屬于易干木材。

(4)干燥基準(zhǔn)方面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步擬定了銀腺楊的干燥基準(zhǔn)。皺縮是銀腺楊干燥過程中主要的缺陷，所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)具體情況對(duì)干燥基準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

Preliminarily Study on the Drying CharacteristicofPopulusalba×P.glandulosa

ZHANG Xin-yu1， SUN Zhao-bin2， LI Xing3， LIU Chao-hua4， WU Su-ran4

(1.College of Materials Science and Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China；2.College of Forestry，Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071000，China；3.College of Materials Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing Jiangsu 210037，China；4.Yi County Hongyashan State-owned Forest Farm Administration，Baoding Hebei 074200，China)

The 100 ℃ test method is adopted to conduct experiments on drying characteristics ofPopulusalba×P.glandulosa，with the result showing that the initial cracking is Grade 4，and the internal checking is Grade 1.The cross-sectional deformation is Grade 2；the drying speed ofPopulusalba×P.glandulosais Grade 1，indicating it gets dry easily.Based on the experimental data，the drying schedule ofPopulusalba×P.glandulosais preliminarily determined.

100℃ test method；Populusalba×P.glandulosa；drying characteristics；drying schedule

2017-06-13

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“硬闊葉材熱泵節(jié)能干燥關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究”(14274001D)；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)“木材學(xué)”精品課程項(xiàng)目

張新宇(1993-)，女，北京林業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事木質(zhì)復(fù)合材料與膠黏劑的研究，E-mail：xinyu0508@bjfu.edu.cn。

TS612

A

2095-2953(2017)09-0031-04