初含水率對(duì)白橡鋸材熱壓干燥特性的影響

謝 杰，譚宏偉，郝曉峰，李賢軍，熊幸陽(yáng)，鄭 敏，全 鵬

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.大自然家居（中國(guó)）有限公司，廣東 佛山 528000）

白橡木作為世界上最主要的商品木之一，具有力學(xué)強(qiáng)度大、耐腐等級(jí)高和機(jī)加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，是制造家具和實(shí)木地板的優(yōu)良原材料，但由于存在干縮濕脹、尺寸穩(wěn)定性欠佳的不良特性，難以滿足地?zé)岬匕宓闹圃煲?。?guó)內(nèi)外學(xué)者迄今為止探究了很多改善實(shí)木尺寸穩(wěn)定性的方法，如浸漬、乙酰化和炭化處理等，這些方法通常會(huì)導(dǎo)致木材環(huán)保性或強(qiáng)度的降低，因此如何高效高質(zhì)地改良尺寸穩(wěn)定性是提高白橡木材附加值的關(guān)鍵[1]。

熱壓干燥是一種利用壓機(jī)熱壓板接觸木材進(jìn)行傳熱的干燥方式，最初用于薄板的干燥，20世紀(jì)50年代開始用于厚單板及鋸材的干燥[2]。熱壓干燥具有傳熱均勻、干燥速率高和翹曲缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，由于壓力和溫度的作用，還能對(duì)木材產(chǎn)生壓密化和熱處理等改性效果，提高木材密度、強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。我國(guó)對(duì)木材熱壓干燥的研究始于20世紀(jì)80年代，目前已有學(xué)者對(duì)鋸材熱壓干燥的工藝、特性及熱壓干燥材的性能展開了一系列研究[5-9]。鄔飛宇等人[10]的研究表明，通過熱壓干燥對(duì)木材進(jìn)行干燥、密實(shí)和炭化等一體化處理，能實(shí)現(xiàn)木材的高效干燥和尺寸穩(wěn)定性改良，但對(duì)含水率較高的難干闊葉材進(jìn)行熱壓干燥時(shí)，木材易出現(xiàn)嚴(yán)重的干燥缺陷，不能滿足后續(xù)處理和加工要求[11]。Simpson等國(guó)外學(xué)者較系統(tǒng)地研究了初含水率、板材下鋸方式等因素對(duì)木材熱壓干燥缺陷的影響，而國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究還較欠缺[12-15]。本研究擬以國(guó)產(chǎn)白橡鋸材為研究對(duì)象，采用平板熱壓機(jī)對(duì)其進(jìn)行干燥處理，系統(tǒng)研究初含水率對(duì)木材溫變特性、干燥速率、干縮特性、干燥缺陷和微觀構(gòu)造的影響規(guī)律，探明白橡鋸材的熱壓干燥特性，以期為白橡木材的高效熱壓干燥與改性處理技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用及白橡木材的高附加值利用提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用試材為初含水率60% ～100%的白橡Quercus mongolica濕材，規(guī)格為950 mm（長(zhǎng)）× 25 mm（厚）× 150 mm（寬）。試驗(yàn)前，選取無(wú)腐朽、無(wú)開裂和無(wú)變色等可見缺陷的弦切板，將其加工成規(guī)格為450 mm（長(zhǎng)）× 20 mm（厚）×60 mm（寬）的四面光試件，同時(shí)在每塊試件兩端鋸下對(duì)應(yīng)的含水率試片，用于推算各試件的含水率和絕干質(zhì)量。

1.2 儀器與設(shè)備

智能實(shí)驗(yàn)壓機(jī)：蘇州卓華機(jī)電公司，SYYJ-50×50。多通道溫度在線檢測(cè)儀：昌暉自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，SWP-RLK。鎧裝熱電偶：顏歷自動(dòng)化儀表有限公司，WRNK-191。電熱鼓風(fēng)干燥箱：泰斯特儀器股份有限公司，101-3AB。掃描電子顯微鏡：日本電子株式會(huì)社，JSM-6380LV。體視顯微鏡：深圳安東星科技有限公司，503+。

1.3 方法與步驟

將試件分為4組，分別室干至設(shè)定的熱壓干燥初含水率水平（70%、50%、30%和室內(nèi)環(huán)境平衡含水率），然后用塑料薄膜包裹冷藏若干天，使木材內(nèi)部水分均勻。設(shè)定熱壓溫度為140 ℃，熱壓壓力為0.1 MPa，熱壓時(shí)間為4 h，每組熱壓4塊重復(fù)試件。熱壓前對(duì)各組試件編號(hào)、劃線，測(cè)量試件初始質(zhì)量、寬度和厚度。每組取2塊試件在其側(cè)面4個(gè)位置沿寬度方向鉆孔（如圖1所示），孔深30 mm，孔徑1.5 mm。孔內(nèi)插入直徑為1 mm的熱電偶探針后用耐高溫環(huán)氧樹脂膠固定，探針末端與孔底部緊密接觸，熱電偶接線端與多通道溫度在線檢測(cè)儀相連。熱壓干燥過程中每5 min記錄木材內(nèi)部各位置的溫度，每30 min取出另外2塊未接熱電偶的試件稱質(zhì)量。熱壓完畢后檢查試件的開裂和皺縮等干燥缺陷，測(cè)量干燥后試件的寬度、厚度并計(jì)算干縮率和干縮系數(shù)，再?gòu)拿總€(gè)試件中部和兩端鋸切含水率試片，測(cè)量其終了含水率并反推干燥過程中試件的含水率變化，最后利用掃描電子顯微鏡和體視顯微鏡對(duì)熱壓干燥處理材和對(duì)照材試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析。

圖 1 測(cè)溫鉆孔位置示意Fig.1 Schematic diagram of temperature measuring positions

2 結(jié)果與分析

2.1 初含水率對(duì)木材溫變特性和干燥速率的影響

圖2 試件內(nèi)部不同位置的升溫過程Fig.2 Temperature changes at different positions inside cuttings

不同初含水率（MCi）的白橡試件在熱壓過程中內(nèi)部各位置升溫過程曲線如圖2所示。由圖2可知，試件熱壓時(shí)1/4厚度層比1/2厚度層（中心層）升溫更快，但長(zhǎng)度方向上不同位置的升溫曲線基本重合。在本試驗(yàn)條件下，初含水率在纖維飽和點(diǎn)（FSP）以上的3組試件其升溫過程可分為4個(gè)階段：①快速升溫段。各處溫度在熱壓開始后10～15 min由室溫上升至100℃（常壓下水的沸點(diǎn)）。②沸點(diǎn)溫度保持段。試件內(nèi)部各處溫度上升至沸點(diǎn)后，中心層溫度保持在沸點(diǎn)，保持長(zhǎng)度與試件初含水率呈正相關(guān)，初含水率從31%增加到75%，保持時(shí)間從30 min增加到90 min；而1/4厚度層的溫度則越過沸點(diǎn)繼續(xù)緩慢上升。③慢速升溫段。試件內(nèi)部各處溫度逐漸上升至接近壓板溫度。④壓板溫度保持段。試件內(nèi)部各處溫度上升至與壓板溫度相差1～2℃后保持恒定[16]。對(duì)于初含水率低于FSP的一組試件，其升溫過程基本不含階段②，試件快速升溫至沸點(diǎn)后繼續(xù)緩慢升溫至壓板溫度。根據(jù)YF Tang建立的熱壓干燥數(shù)值模型[17-19]，濕材接觸壓板后，表面含水率迅速下降，表面溫度迅速上升至接近壓板溫度，木材內(nèi)部形成分隔干區(qū)和濕區(qū)的水分蒸發(fā)界面。隨著干燥的進(jìn)行，蒸發(fā)界面對(duì)稱向木材中心移動(dòng)，干區(qū)含水率低于FSP，溫度逐漸上升至熱壓板溫度；濕區(qū)含水率高于FSP，因自由水的沸騰而暫時(shí)保持在沸點(diǎn)溫度。所以對(duì)于初含水率高于FSP的試件，熱壓時(shí)因濕區(qū)自由水的沸騰，其中心層存在沸點(diǎn)溫度保持段，當(dāng)中心層溫度開始從沸點(diǎn)繼續(xù)上升，即意味著試件中全部自由水蒸發(fā)完畢；而初含水率在FSP以下、不含自由水的氣干試件，其中心層升溫過程中不含沸點(diǎn)保持階段。對(duì)于所有不同初含水率的試件，中心層溫度最后上升至接近壓板溫度，理論上此時(shí)含水率接近絕干。圖3描述了不同初含水率的白橡試件熱壓時(shí)的中心層升溫過程和含水率變化過程。從對(duì)升溫過程的分析可知這兩個(gè)過程都受到木材初含水率的影響，且相互聯(lián)系。初含水率高于FSP的試件其含水率變化過程可分為兩個(gè)階段：①恒速快速干燥段（對(duì)應(yīng)升溫階段①和②）。由于接觸式傳熱效率高，試件在接觸壓板10～15 min后，內(nèi)部自由水便受熱沸騰產(chǎn)生大量水蒸氣，在較大的壓力梯度下快速排出。整個(gè)沸點(diǎn)保持階段即是因自由水的沸騰形成的，在該階段中后期，雖然試件表層含水率下降至FSP以下，芯層存在的自由水仍能在沸騰后快速?gòu)脑嚰啥伺懦觯蚨傮w上保持較快的干燥速率，且干燥速率基本保持恒定；②減速干燥段（對(duì)應(yīng)升溫階段③和④）。此時(shí)試件內(nèi)部只剩自由水，水分的移動(dòng)主要是含水率梯度下的擴(kuò)散，干燥速率降低，而中心層溫度緩慢上升。初含水率低于FSP的試件內(nèi)部不含自由水，無(wú)干燥階段①。對(duì)于所有不同初含水率的試件，當(dāng)中心層溫度升至接近140 ℃的壓板溫度并保持穩(wěn)定時(shí)，含水率均下降至2%左右，干燥速率降至0.001%/min以下，由此可知通過試件的中心層溫度可以監(jiān)測(cè)木材熱壓干燥終點(diǎn)。整體上白橡的熱壓干燥速率非?？?，將初含水率為71%、51%、30%和14%的試件干燥到2%以下所需的平均干燥時(shí)間分別為210、180、150和120 min，平均干燥速率分別為0.33、0.27、0.19和0.10 %/min，在相同的熱壓條件下，初含水率越高的試件達(dá)到同樣終了含水率的時(shí)間更長(zhǎng)，但試件的平均干燥速率也更快，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Mataki的研究是一致的[20]。這主要是因?yàn)橐簯B(tài)水的熱傳導(dǎo)系數(shù)比木材更高，初含水率越高的試件在干燥前期能夠吸收更多的熱量使內(nèi)部水分更快排出。

2.2 初含水率對(duì)木材干燥缺陷的影響

圖3 不同初含水率試件的中心層升溫過程和含水率變化Fig.3 Temperature changes at the center layer and drying time curves of samples with different initial MCs

圖 4 初含水率與試件截面變形和內(nèi)裂數(shù)量的關(guān)系Fig.4 Dependence of collapse depth and number of heart checks on initial MC

熱壓干燥后的白橡試件表面平整，無(wú)表裂，僅有少量端裂，但會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)裂和皺縮缺陷。熱壓干燥后試件的截面變形和內(nèi)裂數(shù)量如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)試件初含水率在28%～75%范圍內(nèi)時(shí)，熱壓后有較大的截面變形和大量?jī)?nèi)裂產(chǎn)生；而當(dāng)初含水率降至15%以下時(shí)，木材熱壓后的截面變形明顯減小，且不產(chǎn)生內(nèi)裂缺陷，與初含水率為73%的試件相比，初含水率為14%的試件其截面變形值可減少45.35%～96.6%。這是因?yàn)榘紫饘儆谫|(zhì)地密實(shí)的硬闊葉材，導(dǎo)管和紋孔中填充物含量高，水分滲透性差。熱壓干燥時(shí)濕材表層因水分快速沸騰流失而結(jié)殼固化，使木材芯層在干燥后期受到較大拉應(yīng)力，形成內(nèi)裂；干燥過程中，由于濕線的推進(jìn)十分迅速，干燥初期表層因干縮受到的單位面積拉應(yīng)力很小，因此熱壓干燥的表裂等初期開裂較少；而內(nèi)部大量自由水的快速流動(dòng)形成的毛細(xì)張力則引起細(xì)胞塌陷，產(chǎn)生皺縮。當(dāng)初含水率減少至FSP以下，木材熱壓干燥時(shí)的含水率梯度和內(nèi)應(yīng)力也會(huì)明顯減小，從而使內(nèi)裂減少；由于不含自由水，因液體表面張力引起的皺縮也減輕。除了初含水率以外，溫度也是可能影響木材熱壓干燥質(zhì)量的一個(gè)重要因素，但在前期實(shí)驗(yàn)中觀察到以110 ℃的較低熱壓溫度干燥初含水率在30%左右的白橡試件依舊會(huì)導(dǎo)致大量?jī)?nèi)裂和明顯的皺縮。因此在用熱壓法對(duì)白橡木材進(jìn)行快速干燥前，應(yīng)先通過氣干或窯干等方式將木材的初含水率控制在使熱壓干燥材的質(zhì)量能滿足后續(xù)加工制造要求的安全范圍內(nèi)，在本實(shí)驗(yàn)條件下得出的白橡熱壓干燥的最大安全初含水率為15%。

2.3 初含水率對(duì)木材干縮特性的影響

白橡試件熱壓干燥的寬度和厚度干縮系數(shù)如圖5所示。隨著初含水率的增加，木材厚度干縮系數(shù)呈增加趨勢(shì)，而寬度干縮系數(shù)則呈下降趨勢(shì)。當(dāng)試件的平均初含水率從14%增加到75%，試件的平均厚度干縮系數(shù)由0.168%增加到0.401%，增加了138.7%；試件的平均寬度干縮系數(shù)由0.232%減少到0.121%，減少了47.8%。數(shù)據(jù)表明，含水率較高的木材在進(jìn)行熱壓干燥后會(huì)產(chǎn)生較大的厚度壓縮，造成一定的材積損失。根據(jù)日本學(xué)者飯?zhí)锏挠^點(diǎn)，木材細(xì)胞壁中由半纖維素和木質(zhì)素組成的聚合物基體結(jié)構(gòu)具有非晶態(tài)聚合物的屬性，在高濕狀態(tài)下其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)顯著降低，高溫下易轉(zhuǎn)化成高彈性的橡膠態(tài)。正是該機(jī)理導(dǎo)致初含水率高的木材在熱壓時(shí)受壓力作用發(fā)生較大變形，厚度方向產(chǎn)生遠(yuǎn)大于正常干縮的壓縮，木材初含水率越高，聚合物基體的橡膠態(tài)轉(zhuǎn)化程度越高，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，厚度上的壓縮越大[21-22]。而由于材料的泊松效應(yīng)，厚度上的收縮增大時(shí)，寬度上收縮受到的抑制也隨之增加，因此木材在寬度方向上的干縮隨初含水率增加而降低，這與孫照斌對(duì)竹材進(jìn)行熱壓干燥研究的結(jié)果是一致的[23]。

圖 5 初含水率與試件干縮系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between shrinkage coef ficient and initial MC

2.4 初含水率對(duì)木材微觀構(gòu)造的影響

利用掃描電鏡和體視顯微鏡對(duì)白橡素材和初含水率較高的熱壓干燥材橫切面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可知，熱壓干燥后木纖維細(xì)胞腔橫截面和晚材小管孔的變形不明顯，而早材大管孔有輕微的壓縮變形。從圖6-b還可以看出，初含水率較高的白橡試件在熱壓后出現(xiàn)的內(nèi)裂是沿木射線生成的，這是因?yàn)槟旧渚€作為橫向細(xì)胞，與木材其他縱向細(xì)胞呈交叉排列，其連接強(qiáng)度遠(yuǎn)比縱向細(xì)胞間的連接強(qiáng)度小。

3 結(jié) 論

圖 6 素材和熱壓干燥材體視顯微鏡照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of press dried and untreated wood samples

圖 7 熱壓干燥材電鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM micrographs of the press dried wood samples

本研究以國(guó)產(chǎn)白橡鋸材為研究對(duì)象，采用平板熱壓機(jī)對(duì)其進(jìn)行干燥處理，系統(tǒng)研究了初含水率對(duì)木材溫變特性、干燥速率、干縮特性、干燥缺陷和微觀構(gòu)造的影響規(guī)律，探明了白橡鋸材的熱壓干燥特性。研究結(jié)果表明：

（1）熱壓干燥是一種快速干燥方法，在溫度為140 ℃、壓力為0.1 MPa的熱壓條件下將初含水率為14%～75%的白橡木材干燥到2%以下終了含水率僅需120～210 min。初含水率越高的試件所需的干燥時(shí)間越長(zhǎng)，但試件的平均干燥速率也顯著加快。

（2）木材的熱壓干燥的升溫過程與含水率變化過程表明，當(dāng)木材終了含水率較低時(shí)，通過木材的中心層溫度可以監(jiān)測(cè)其干燥終點(diǎn)，該溫度檢測(cè)法比檢驗(yàn)板法更方便，比采用含水率探針更準(zhǔn)確。

（3）初含水率較高的木材在熱壓后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重內(nèi)裂和皺縮缺陷，僅當(dāng)木材初含水率降至15%以下時(shí)不產(chǎn)生內(nèi)裂，另外厚度上的壓縮也隨初含水率增加而顯著增加。

（4）通過觀察橫切面微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)初含水率高的木材在熱壓干燥后的內(nèi)裂沿木射線生成，其早材部位的大管孔可觀察到明顯壓縮。

根據(jù)上述研究分析結(jié)果可知，為了保證白橡材的熱壓干燥質(zhì)量，需先探明其最大安全初含水率。進(jìn)行白橡鋸材的工業(yè)化干燥時(shí)，可采用氣干／窰干—壓干聯(lián)合干燥的方法，即先將木材預(yù)干至其安全初含水率范圍再進(jìn)行熱壓干燥，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高效干燥。但由于本研究選取的白橡木材的初含水率水平較少，其更確切的最大安全初含水率還有待進(jìn)一步探究，以達(dá)到生產(chǎn)效益的最優(yōu)化。