刺猬紫檀材熱泵干燥特性及工藝研究

劉 杰，張桂蘭*，張振濤，山其米克

(1.中國科學(xué)院 理化技術(shù)研究所，北京 100019； 2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 生物質(zhì)能源所，新疆 烏魯木齊 830091)

刺猬紫檀(Pterocarpuserinaceus)材是密度較大、材質(zhì)較硬的珍貴木材之一，細(xì)胞內(nèi)含有大量的侵填體，容易使木材內(nèi)部水分通道阻塞，因此木材干燥時，厚度上容易出現(xiàn)含水率梯度，從而影響木材的干燥質(zhì)量。在木材烘干時，熱泵干燥技術(shù)比常規(guī)氣流干燥技術(shù)耗時多，但顯著的節(jié)能效果和較高的木材利用率使熱泵干燥技術(shù)成為木材干燥的主要手段之一，特別適用于商業(yè)價值高、干燥難度大的“難干木材”。本研究采用熱泵干燥系統(tǒng)對刺猬紫檀材進(jìn)行干燥，干燥過程中溫升緩慢、供熱均勻，木材表面水分蒸發(fā)速度與內(nèi)部水分傳遞速度基本平衡。因此，采用熱泵干燥的刺猬紫檀材不僅干燥質(zhì)量好，而且節(jié)能。

1 材料與方法

1.1 材料

刺猬紫檀材，廣東省中山市中山鴻發(fā)木材家具公司提供的非洲進(jìn)口材，平均初含水率為42.2%。

1.2 設(shè)備

熱泵干燥系統(tǒng)：壓縮機(jī)為740 W；熱泵蒸發(fā)器為6.8 m2；除濕蒸發(fā)器為5.3 m2；冷凝器為8.3 m2。

電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)有限公司，溫度范圍：0～300℃。

小型帶鋸機(jī)：Ts245型。

CT掃描儀：美國通用電器(general electric,GE)Bright speed Excel的 4層螺旋CT；參數(shù)為120 kV、160 mAs、層厚為0.625 mm、層間距為1.25 mm。

1.3 方法

1.3.1 試件鋸解 試件規(guī)格：刺猬紫檀材鋸解為600 mm×100 mm×20 mm的規(guī)格，密封備用。

1.3.2 干燥過程特性分析 干燥基準(zhǔn)采用百度試驗法分析；干燥應(yīng)力曲線和含水率曲線采用檢驗板和試驗板的方法分析；采用X射線掃描法測得不同含水率下木材的CT值,并建立分層含水率與CT值的數(shù)學(xué)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理特性

表1為刺猬紫檀材的各項物理性能測試結(jié)果，刺猬紫檀材基本密度0.84 g·cm-3，氣干密度為0.96 g·cm-3；弦向干縮系數(shù)為0.42%，徑向干縮系數(shù)為0.32%，體積干縮系數(shù)為0.58%，由于刺猬紫檀材密度和干縮率較大，所以干燥過程中容易出現(xiàn)干燥缺陷。

2.2 熱泵干燥基準(zhǔn)

根據(jù)刺猬紫檀材干燥的基本條件(表2)，可以初步擬定板厚20 mm的刺猬紫檀材的干燥基準(zhǔn)(表3)。

表1 各項物理性質(zhì)測試結(jié)果Table 1 Statistical results of various physical properties

注:n一試樣數(shù)，x一平均值，S一標(biāo)準(zhǔn)差，Y一變異系數(shù)(%)。

2.3 刺猬紫檀鋸材干燥過程特性分析

2.3.1 熱泵干燥曲線 圖1為初含水率42.2%的刺猬紫檀材的干燥曲線，在干燥初期，隨著溫度的升高含水率迅速下降，含水率達(dá)30%左右時，連續(xù)12 h進(jìn)行中期處理，期間其含水率有回升的跡象，后期隨著干燥溫度的上升，鋸材含水率緩慢降低，最終趨于平衡，且平均含水率達(dá)到10.24%，整個干燥過程耗時528 h。

2.3.2CT值與含水率的線性擬合關(guān)系 表4是刺猬紫檀材干燥過程中不同含水率對應(yīng)的CT值，將其做線性回歸，得到回歸方程為：y=0.149 8x+18.907,R2=0.990 3。從回歸方程可以看出，CT值與木材的含水率之間存在很高的線性相關(guān)性。

表2 干燥初始條件Table 2 Initial conditions of drying ℃

表3 20 mm厚刺猬紫檀鋸材初始干燥基準(zhǔn)Table 3 Initial drying schedule of 20 mm thick lumber

注：MC為鋸材含水率。

圖1 干燥曲線Fig.1 Drying curve of the wood

表4 含水率與CT值Table 4 Moisture content and CT value of the wood

2.3.3 應(yīng)力變化 圖2為刺猬紫檀材干燥過程應(yīng)力變化曲線，表明干燥前期存在內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)含水率達(dá)到30%左右時，表層應(yīng)力逐漸降低并趨于0，原因是干燥過程中對鋸材進(jìn)行中期處理的結(jié)果。干燥后期，隨著鋸材含水率下降到纖維飽和點以下，鋸材表面所受的應(yīng)力逐漸表現(xiàn)為壓應(yīng)力，原因是鋸材內(nèi)部水分逐漸向外擴(kuò)張，并且有逐漸增大的趨勢。

圖2 插齒法應(yīng)力變化規(guī)律Fig.2 Prong stress change rule

2.3.4 干縮率變化 圖3表明了干燥過程中的弦向和徑向干縮率變化，含水率達(dá)到30%左右時，在鋸材厚度方向上開始出現(xiàn)干縮變形，當(dāng)鋸材含水率降到30%以下時，寬度方向上才開始出現(xiàn)干縮，此時鋸材的干燥應(yīng)力達(dá)到最大，經(jīng)過中期保溫保濕處理后，鋸材干縮率出現(xiàn)減小的趨勢，這是因為降低了鋸材內(nèi)部水分的蒸發(fā)速度，從而減緩了鋸材的干縮。刺猬紫檀材在厚度上的干縮>寬度，所以，鋸材在弦向和徑向的干縮率相差較大。

圖3 干燥試驗中刺猬紫檀試材干縮率變化Fig.3 Drying shrinkage rate change in drying test

2.4 干燥質(zhì)量評定及干燥基準(zhǔn)確定

2.4.1 干燥質(zhì)量的評定 由表5、表6可見，刺猬紫檀材的殘余應(yīng)力、厚度上含水率偏差和可見干燥缺陷均達(dá)到國家一等材標(biāo)準(zhǔn)。而終含水率根據(jù)北京當(dāng)?shù)仄胶夂始颁彶挠猛?，沒有達(dá)到國家一等材含水率標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 含水率及應(yīng)力指標(biāo)評定等級Table 5 Moisture content and stress index rating table

表6 可見缺陷指標(biāo)評定等級Table 6 Visible defects index rating table

2.4.2 適宜干燥基準(zhǔn)的確定 表7是20 mm厚的刺猬紫檀材的適宜干燥基準(zhǔn)，執(zhí)行該干燥基準(zhǔn)時，需對木材進(jìn)行預(yù)熱，中間處理及后期處理。首先以50℃的溫度對鋸材進(jìn)行3 h預(yù)熱，由于干燥初期已存在一定的含水率偏差和應(yīng)力，所以干燥初期溫度可以調(diào)整到48℃，略低于干燥基準(zhǔn)所確定的初始干燥溫度。當(dāng)含水率達(dá)到30%左右時，進(jìn)行12 h連續(xù)保溫處理，整個干燥過程中，鋸材的含水率偏差及應(yīng)力的變化都呈緩慢變化趨勢，中期的干燥溫度和濕度略作調(diào)整。干燥后期，個別鋸材會出現(xiàn)少許的縱裂，所以后期干燥溫度調(diào)整到略微高于中期溫度，保持在62℃，并且將相對濕度調(diào)整到36%，比初始干燥基準(zhǔn)的相對濕度高16%。

表7 20 mm厚刺猬紫檀鋸材干燥基準(zhǔn)Table 7 Drying schedule of 20 mm thick wood

3 結(jié)論與討論

刺猬紫檀材熱泵干燥過程特性：基本密度為0.84 g·cm-3，弦向干縮系數(shù)為0.42%，徑向干縮系數(shù)0.32%，體積干縮系數(shù)0.58%。刺猬紫檀材初含水率為42.2%，終含水率為10.24%，整個干燥過程為528 h。其中，干燥過程中含水率分布采用X射線無損掃描法測量，測得的CT值與其對應(yīng)的含水率關(guān)系呈線性回歸，回歸方程為：y=0.149 8x+18.907,R2=0.990 3。

刺猬紫檀材含水率及應(yīng)力指標(biāo)評定達(dá)到國家二等材標(biāo)準(zhǔn)，可見缺陷指標(biāo)達(dá)到國家一等材標(biāo)準(zhǔn)。20 mm厚的含水率干燥基準(zhǔn)為：初含水率42.22%，其初始干燥溫度確定為48℃，相對濕度為85%，干燥后期含水率降到10%以下時，溫度最高升至62℃。

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