預(yù)處理對冀北黑樺木材干燥特性影響

楊 松，李 達(dá)，魏立婷，孫照斌

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000)

木材干燥是木材加工過程中不可缺少的環(huán)節(jié)，經(jīng)過干燥的木材可以保證木材制品的質(zhì)量，改善木材的使用性能，延長使用年限。掌握基本的木材干燥特性是合理安排木材干燥的重要因素[1-3]。

黑樺(Betuladavurical)，別名臭樺、棘皮樺，為樺木科(Betulaceae)樺木屬(BetulaLinn)植物，喜光、耐干旱瘠薄，多生于海拔1000～2500m土層較厚的低山向陽山坡、山簏較干燥處或雜木林內(nèi)[4]，在我國主要分布于東北和華北地區(qū)，是北溫帶森林重要的組成樹種。

前人的研究表明，預(yù)處理能改善木材干燥特性。木材經(jīng)氯化鈉浸漬處理后可以得到理想的干燥質(zhì)量，但氯化鈉在木材改性中的應(yīng)用很少，與木材有關(guān)聯(lián)的應(yīng)用和研究主要在木材圓盤的處理方面，如氯化鈉溶液預(yù)處理楓樺原木圓盤的干燥特性[5]。同時熱水處理也是目前木材干燥生產(chǎn)中常采用的預(yù)處理方式，可以提高難干木材干燥速度和干燥質(zhì)量[6]。而且木材經(jīng)熱水處理后，其纖維形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變[7]。

關(guān)于黑樺木材干燥特性的研究未見報道，為提高黑樺木材的附加值，解決制約木材加工利用的瓶頸問題，本文采用百度干燥試驗法，著重研究熱水、氯化鈉處理對黑樺木材干燥特性影響，并初步擬定干燥基準(zhǔn)，旨在為黑樺木材加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

(1)黑樺木材

原木取自河北承德隆化縣茅荊壩林場，用帶鋸機(jī)將原木鋸解成120cm×18cm×25mm的板材，測得試件初含水率為60%左右，備用。

選取紋理通直，表面無缺陷的弦向材，試驗前將試件四面刨光，加工成規(guī)格為200mm×100mm×20mm的弦切板。試件放入烘箱前需要測量其尺寸，精確到0.01mm，長度測量沿中心測，寬度在兩端附近測量，厚度在四個直角附近測量。

(2) 氯化鈉溶液

配制3 mol/L的溶液，攪拌至全部溶解，備用。

1.2 試驗設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(型號DHG-9240A)；電子天平(精度0.01g)；電子游標(biāo)卡尺(精度0.01mm)；不銹鋼鋼尺(精度0.5mm)；鋸機(jī)。

1.3 試驗方案

將準(zhǔn)備的18塊試件分為三組，第一組試件作空白對照，第二組試件用100℃沸水熱處理4h，第三組用3mol/L氯化鈉浸泡處理24h。在相同的條件下進(jìn)行熱空氣干燥，比較不同預(yù)處理對試件干燥質(zhì)量和干燥速度的影響。試驗采用100℃干燥試驗法，詳見文獻(xiàn)“木材干燥基準(zhǔn)簡易確定法一百度試驗法”[8]。

參照文獻(xiàn)“百度干燥試驗中干燥缺陷及干燥速度分級標(biāo)準(zhǔn)”[1,9]，對預(yù)處理與未處理的黑樺木材的缺陷分別定級。參照文獻(xiàn)“與干燥缺陷等級相對應(yīng)的干燥條件”[1,9]，根據(jù)缺陷等級確定黑樺木材干燥的初期溫度、干濕球溫度差及后期溫度，綜合選出最低條件作為黑樺木材干燥基準(zhǔn)的基本條件，進(jìn)而擬定初步干燥基準(zhǔn)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理對干燥缺陷的影響

黑樺木材干燥缺陷情況如表1。

表1 黑樺木材干燥缺陷情況

注：以上數(shù)值為均值，等級經(jīng)綜合考慮得出。

(1) 初期開裂

由表1可以看出，三組黑樺木材不同程度地發(fā)生了初期開裂，等級都為1級，未處理材出現(xiàn)的端裂和短端表裂的數(shù)量要多一些，熱水處理材僅出現(xiàn)過少量端裂和短端表裂，氯化鈉處理材端裂平均只有2條，無端表列。大體來說，氯化鈉和熱水處理的黑樺木材的初期開裂情況均低于空白對照組黑樺木材初期開裂情況。

(2) 內(nèi)部開裂

由表1可以看出,三組黑樺木材均未出現(xiàn)內(nèi)部開裂，等級全為1級。內(nèi)部開裂一般發(fā)生在干燥后期，當(dāng)內(nèi)部所受拉應(yīng)力超過木材橫紋抗拉極限強(qiáng)度時會發(fā)生內(nèi)部開裂。

(3) 截面變形

如表1所示，三組黑樺木材都發(fā)生了不同程度的截面變形。其中，未處理黑樺木材截面變形的均值為1.22mm；熱水處理黑樺木材截面變形的均值為0.73mm；氯化鈉處理黑樺木材截面變形的均值為0.31mm。從中可以明顯看出氯化鈉處理黑樺木材截面變形程度最小，熱水處理黑樺木材截面變形程度次之，未處理黑樺木材的截面變形情況最為嚴(yán)重。

(4) 扭曲變形

試驗表明未處理材扭曲變形均值為2.9mm；熱水處理材扭曲變形均值為2.4mm；氯化鈉處理材扭曲變形均值為1.8mm?？傮w上看，氯化鈉處理材扭曲變形程度最小。三組黑樺木材均不同程度地發(fā)生了扭曲變形(見表1)。

(5) 瓦彎變形

三組試驗結(jié)果看出黑樺木材都不同程度地發(fā)生了瓦彎變形，其中，未處理材瓦彎變形均值為1.6mm；熱水處理材瓦彎變形均值為0.9mm；氯化鈉處理黑樺木材瓦彎變形均值為0.4mm。總體上看，氯化鈉處理黑樺木材瓦彎變形程度最小。如表1所示。

從以上分析可以看出熱水處理黑樺木材，其中抽提物含量明顯降低，使木材的各向異性變小，初期開裂情況有所改善。而且木材經(jīng)過熱水處理,塑性增強(qiáng)，內(nèi)外干濕態(tài)一致，內(nèi)部應(yīng)力消除，木材干燥過程中不容易產(chǎn)生截面變形、扭曲變形和瓦彎變形，提高木材的干燥效果。

氯化鈉處理黑樺木材，改變了木材的微觀結(jié)構(gòu)，使其微毛細(xì)管變小，甚至出現(xiàn)堵塞，從而阻礙了木材內(nèi)水分子的流動，降低了黑樺木材水分的移動速度，不易造成開裂。同時經(jīng)處理后也可能會使木材各部位的干縮趨于一致，整個截面上承受的干縮應(yīng)力就越小，因此不易產(chǎn)生變形。

2.2 預(yù)處理對干縮特性的影響

了解木材的干縮性質(zhì)和干縮規(guī)律，可以掌握其干燥特性的動態(tài)變化，提高其制定干燥基準(zhǔn)的有效性，對制定木材干燥工藝以及合理加工利用有重要的意義。100℃干燥條件下黑樺木材的干縮情況見表2。

表2 100℃干燥條件下黑樺木材的干縮情況

由表2可知，預(yù)處理對黑樺木材干縮特性有影響。未處理材、熱水處理材、氯化鈉處理材的平均徑向干縮率分別為為5.76%、5.51%、5.56%；平均弦向干縮率分別為9.05%、8.88%、6.42%；平均體積干縮率分別為14.79%、14.65%、12.24%，熱水處理材和氯化鈉處理材較未處理材的平均體積干縮率分別降低了0.95%、20.83%，氯化鈉處理材較熱水處理材的平均體積干縮率降低了19.69%；未處理材和熱水處理材差異干縮分別為1.58和1.61，均大于1.5[11]，氯化鈉處理材差異干縮為1.16，小于1.5，說明氯化鈉處理材在干燥過程中產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢相對較小?？傮w上，預(yù)處理可改善黑樺木材干縮特性。

熱水處理的黑樺木材干縮程度降低，是因為黑樺木材被抽提出來的抽提物除含有纖維素、木素、生物堿、可溶性礦物成分及某些單糖成分外，還包含有淀粉和果膠質(zhì)；抽提物含量增多，木材的滲透性就差，干縮現(xiàn)象明顯[12]。氯化鈉處理黑樺木材干縮程度最低，是因為氯離子和鈉離子半徑均小于水分子，且具有很強(qiáng)的親水性，因此很容易進(jìn)入到木材的微空隙內(nèi)，干燥中隨著水分的移出，氯離子和鈉離子飽和、結(jié)晶并存留在木材微空隙內(nèi)，抑制了纖絲因失水產(chǎn)生的相互靠攏，微空隙內(nèi)氯化鈉含量越多，對纖絲彼此靠攏的抑制程度越高，木材干縮率也就越小[13]。

2.3 預(yù)處理對干燥速度的影響

干燥速度是反映材內(nèi)水分向外移動快慢的重要指標(biāo)，也是反映木材干燥難易程度的一個重要指標(biāo)，它與木材的構(gòu)造及預(yù)處理方式密切相關(guān)。

黑樺木材干燥速度見表3。干燥過程水分變化曲線見圖1。

表3 黑樺木材干燥速度

圖1 干燥過程水分變化曲線注：H、RH、LH分別為未處理、熱水處理、氯化鈉處理黑樺木材試件組平均含水率變化。

由表3可知，預(yù)處理對三組黑樺木材干燥速度基本無影響。未處理、熱水處理、氯化鈉處理的黑樺木材含水率從30%到5%平均時間分別為12.90h、12.80h、12.28h；全程平均干燥速度分別為2.25%/h、2.35%/h、2.32%/h；干燥速度等級均為2級。從圖1可見，氯化鈉處理的黑樺木材初始干燥速率略高于其他兩組，但隨著干燥的進(jìn)行，含水率降到30%后，含水率下降速度開始變慢，三者趨于一致。

熱水處理的黑樺木材，在水煮過程中將木材內(nèi)部的纖維素、生物堿等成分煮出，使木材內(nèi)部縫隙變大，減小木材內(nèi)部水分向外移動的阻力，水分移動通道順暢，但影響不大。氯化鈉處理的黑樺木材，最大干燥速率出現(xiàn)在干燥初始階段，這與該階段黑樺木材表面自由水含量高、水分移出容易密切相關(guān)，之后隨著自由水的減少，壓力差產(chǎn)生的驅(qū)動力在干燥的最后階段使其干燥速率降低，并因吸著水的開始排出需要更多的能量，使其干燥速率有所降低。

2.4 干燥基準(zhǔn)的初步擬定

參照干燥缺陷等級相對應(yīng)的干燥條件[8]，可確定未處理、熱水處理、氯化鈉處理的黑樺木材干燥時干、濕球溫度差的最低條件，黑樺木材干燥缺陷等級相對應(yīng)的干燥條件見表4。

表4 黑樺木材干燥缺陷等級相對應(yīng)的干燥條件

由表4可知，未處理黑樺木材初期最低溫度為50℃，干燥初期干濕球溫度差為2-4℃，后期最高溫度為75℃；熱水處理黑樺木材初期最低溫度為70℃，干燥初期干濕球溫度差為4-7℃，后期最高溫度為90℃；氯化鈉處理黑樺木材初期最低溫度為70℃，干燥初期干濕球溫度差為4-7℃，后期最高溫度為90℃。即未處理材干濕球溫度差比預(yù)處理的最低條件要低，熱水處理材與氯化鈉處理材干濕球溫度差的最低條件基本相同。

參照國家林業(yè)局頒發(fā)的LY/T 1068-2012鋸材窯干工藝規(guī)程[10]，初步擬定黑樺木材(25～30 mm)干燥基準(zhǔn)，見表5。

表5 百度試驗法確定黑樺木材(25～30 mm)干燥基準(zhǔn)

3 結(jié)論

(1)預(yù)處理對黑樺木材干燥缺陷的產(chǎn)生有影響。未處理、熱水處理、氯化鈉處理的黑樺木材的初期開裂等級均為1級；均未發(fā)生內(nèi)部開裂，等級為1級；截面變形等級分別為3級、1級、1級；扭曲變形等級均為2級；瓦彎變形值分別為1.62mm、0.87mm、0.43mm。即預(yù)處理可減少木材干燥缺陷。

(2) 預(yù)處理對黑樺木材干縮特性有影響。未處理、熱水處理、氯化鈉處理的黑樺木材的平均徑向干縮率分別為為5.76%、5.51%、5.56%；平均弦向干縮率分別為9.05%、8.88%、6.42%；平均體積干縮率分別為14.79%、14.65%、12.24%，氯化鈉處理材的平均體積干縮率較未處理材降低了20.8%，氯化鈉處理材差異干縮為1.16<1.5，干燥過程中產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢相對較小，即預(yù)處理可改善黑樺木材干縮特性。

(3)預(yù)處理對黑樺木材干燥速度基本無影響，干燥速度等級均2級。

(4)在預(yù)處理黑樺木材干燥特性測定基礎(chǔ)上，確定了黑樺木材干燥基準(zhǔn)的基本條件，初步擬定了25-30mm厚黑樺木材干燥基準(zhǔn)，若用于工廠生產(chǎn)尚需進(jìn)一步試驗。

綜上，熱水處理和氯化鈉處理的黑樺木材干燥特性較未處理的黑樺木材干燥特性均有所改善，且氯化鈉處理的黑樺木材對各項性能改善效果更好。

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