人工林桉木干燥特性及干燥技術(shù)探討

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037)

桉樹在我國是種植面積較大的人工林樹種，蓄積量大、材質(zhì)較好，具有廣泛的應(yīng)用前景。為了能夠使桉木應(yīng)用在實木制品上，提高其產(chǎn)品附加值，本文針對桉木的特殊材性，開展了桉木干燥工藝和干燥特性的研究，探討不同干燥技術(shù)對桉木干燥質(zhì)量及材性的影響，為桉木人工林干燥提供理論依據(jù)和技術(shù)保障，實現(xiàn)桉木的高質(zhì)量木材干燥。

1 人工林桉木資源

桉樹資源的蓄積量在世界人工林資源中居于前列，在我國種植面積大，木材蓄積量大，具有巨大的開發(fā)潛力[1]。桉木是一種速生材，價格便宜，生長周期短，合理有效地利用桉木資源，有助于緩解當前我國木材供需緊張的矛盾。速生桉木一直以來大都作為紙漿、人造板生產(chǎn)的原材料，產(chǎn)品附加值低。

桉木作為實木材料用到高附加值產(chǎn)品上必須對其多方面指標進行深入研究，包括材料的綜合利用[2]，同時設(shè)計上要考慮到文化多樣性、文化傳承及發(fā)展[3]，注重生產(chǎn)及管理方式[4]，最為重要的是保證材料的干燥質(zhì)量和材性特征。木材常規(guī)干燥[5]在生產(chǎn)中占有很大比例，然而桉木是典型的難干材，其應(yīng)力大，在常規(guī)干燥過程中極易出現(xiàn)皺縮或者較為嚴重的內(nèi)裂缺陷，使得桉木強度變小。為了確保桉木的干燥質(zhì)量，生產(chǎn)上必須考慮某些特種干燥方法[6-7]，如利用冷凍干燥、超臨界CO2干燥等方法來提升桉木的干燥質(zhì)量。

2 人工林桉木材性及干燥特性

2.1 人工林桉木材質(zhì)特征

盡管桉木在我國種植面積較大，但生產(chǎn)企業(yè)和個人因資金回籠及生產(chǎn)效益等原因，目前我國桉木種植時間較短，在砍伐時徑級大都較小，生長應(yīng)力較大，干燥時經(jīng)常出現(xiàn)皺縮及開裂等問題。桉木木材普遍內(nèi)含物及抽提物較多，導(dǎo)致其滲透性差，木材通常有節(jié)疤、脆心等缺陷。速生林桉木在加工利用上主要的材質(zhì)問題如下：①原木容易開裂，含脆心，生長應(yīng)力大；②桉木中幼齡材、小徑材比重較大，邊材較多、大部分不耐腐蝕；③木材尺寸穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)變形；④干燥缺陷如內(nèi)裂及皺縮等易發(fā)生在干燥過程中。這些性狀在木材的材質(zhì)上限制了桉木的高附加值運用。在生產(chǎn)上應(yīng)從木材材性著手，進行木材材性改良來消除應(yīng)力，改善滲透性，或進行防腐處理提高其性能。此外，通過改性的方式處理人工林桉木，使桉木代替名貴硬木樹種使用，能夠緩解珍貴木材短缺問題。

2.2 人工林桉木干燥特性

張新宇等[8]研究了桉木單板的干燥特性，結(jié)果表明單板經(jīng)干燥后能夠達到相對低的含水率，有利于控制膠合板的質(zhì)量。干燥過程中溫度、壓力及水分的共同作用有利于桉木應(yīng)力釋放，能夠減少單板的干縮和變形。韓宇豪[9]研究了小徑桉木的干燥缺陷及干燥時間等不同因素作用下的干燥質(zhì)量，概括出木材的干燥特性，改善了干燥工藝。這些工藝有助于降低干燥缺陷，對木材利用率的提高有重要作用。Vermass[10]指出桉木的類別豐富，桉木材性和桉木顯微結(jié)構(gòu)存在較大區(qū)別，應(yīng)該分析并區(qū)分各種桉木的干燥特性，相同類別的桉木可在同樣的干燥基準下干燥。他還構(gòu)建了模型對不同干燥階段的速度、應(yīng)力、含水率、收縮及木材強度進行計算。

Kauman[11]開展了桉木干燥特性的研究，用后期調(diào)濕工藝和預(yù)處理工藝來改變干燥過程，這些措施能夠有效緩解皺縮問題。江澤慧等[12]研究表明：木材的各種材性特征是影響干燥特性的重要內(nèi)部要素，比如干縮性、應(yīng)力、樹種、含水率等。另外，干燥介質(zhì)條件濕度、溫度及氣流循環(huán)速度是影響木材干燥質(zhì)量的外部要素。陳松武等[13]的研究表明桉木的含水率差異大，干縮率較高，干縮率差異大且各向不相同，在干燥過程中的木材也會出現(xiàn)一些干燥缺陷如變形、皺縮等。Chafe[14]對干燥特性的研究指出影響桉木干燥特性的主要內(nèi)因是桉木的材性特征，此外，小徑級別的桉木和成熟的桉木在密度、生長應(yīng)力和心邊材比例等方面都有一定的區(qū)別，其干燥特性也不一樣。鋸材的規(guī)格尺寸也影響木材的變形和開裂，不同形狀的鋸材其干燥缺陷和干燥時間也不同。黃俊等[15]研究干燥特性時選擇的木材是較厚的尾赤桉，試驗結(jié)果表明尾赤桉厚度在60 mm時的干燥周期長，但與薄板相比，大幅度減小了木材的變形、開裂及皺縮等問題，干燥質(zhì)量和利用率都有明顯提高。

3 人工林桉木干燥技術(shù)探討

3.1 人工林桉木常規(guī)干燥技術(shù)

Choong等[16]通過常規(guī)干燥方法和冷凍干燥方法對松木和桉木進行比較，研究了木材常規(guī)干燥和冷凍干燥下的收縮特性。國內(nèi)對桉樹木材干燥工藝的研討主要是通過百度試驗法。吳義強等[17-18]利用百度試驗，研究了7種桉木常規(guī)干燥技術(shù)，對比分析了木材干燥特性和皺縮情況，并制定了工藝基準。比較了不同干燥方法的干燥質(zhì)量和速度，表明常規(guī)-真空聯(lián)合干燥方法具有一定優(yōu)勢。甘雪菲[19]使用百度試驗法確定了小徑巨尾桉干燥基準，并研究鋸材形狀對干燥質(zhì)量的影響，結(jié)果表明扇形木材的干燥周期和干燥缺陷比板材有優(yōu)勢。劉媛通過百度實驗法制定了干燥基準，選材是25～30 mm厚的尾巨桉幼齡材[20]和桉樹的無性系大徑材[21]，實驗表明桉木的最主要干燥缺陷是其截面變形。

3.2 人工林桉木真空干燥技術(shù)

由于水的沸點在真空環(huán)境中會變低，木材干燥在溫度低時進行可以加快干燥速度、減小變形、開裂以及木材的變色，干燥質(zhì)量好。在真空條件下對木材進行升溫，可以進行直接接觸加熱和輻射加熱，因此其干燥方法也較多，有高頻真空、熱板真空和紅外線真空加熱干燥等。苑青微[22]采取真空和常規(guī)干燥小徑原木的方式，對溫度及含水率的分布進行了對比研究，結(jié)果表明真空干燥質(zhì)量更好。經(jīng)真空干燥后的桉木應(yīng)力較小，具有較好的尺寸穩(wěn)定性，變形小，較好地保持了力學(xué)強度，可大范圍應(yīng)用在木制品及家具行業(yè)。

3.3 人工林桉木冷凍干燥技術(shù)

桉木在常規(guī)干燥進程中出現(xiàn)的內(nèi)裂及皺縮等是限制其作為實木產(chǎn)品應(yīng)用的重要因素。雖然在常規(guī)干燥工藝中采取了各種方式的前期預(yù)處理，以及調(diào)整干燥工藝參數(shù)和步驟，但仍然無法完全解決皺縮問題。因此，研究人員開展了除常規(guī)干燥之外其它干燥方法的分析，木材冷凍干燥是其中的一種。干燥前首先將選用的桉木進行預(yù)凍，把木材中的水凍結(jié)成冰，然后在高真空環(huán)境下把木材中的冰升華，不需要通過液態(tài)，能夠有效減弱其表面張力，進而實現(xiàn)木材無皺縮出現(xiàn)的干燥。楊琳等[23]開展了一系列的桉木冷凍干燥試驗，研究了尾巨桉的冷凍干燥特性及干縮等問題，并與常規(guī)干燥進行對比。結(jié)果表明冷凍干燥桉木質(zhì)量好，應(yīng)力小，速度快，皺縮變形小，但會產(chǎn)生端裂。

此外，一些學(xué)者探討了預(yù)凍處理對桉木干燥的影響。Long Chuanwen[24]研究了速凍及未處理藍桉的干燥特性及工藝，通過試驗得出木材開裂、內(nèi)裂和部分變形經(jīng)預(yù)凍處理后降低，木材冷凍后具有更好的干燥質(zhì)量。張耀麗[25]研究了微波和預(yù)凍方式對尾巨桉干燥特性的影響，試驗結(jié)果表明通過這些方式可以對滲透性有一定改善，干燥速度有所提高，減小了桉木皺縮。楊琳[26]研究了壓縮和預(yù)凍處理對尾巨桉干燥特性的影響，利用掃描圖像法[27]研究了預(yù)凍處理對皺縮的影響，表明預(yù)凍處理有助于抑制干燥時產(chǎn)生皺縮。Ilic[28]發(fā)現(xiàn)桉木的皺縮主要是由于干燥前期溫度較高導(dǎo)致，可以通過對桉木進行預(yù)凍處理(-20 ℃)來適當減少木材的皺縮和開裂。

3.4 人工林桉木其它干燥技術(shù)

木材干燥中的太陽能、微波、除濕、熱壓以及大氣干燥等在人工林桉木的干燥中也有運用，或者將這些方法結(jié)合進行聯(lián)合干燥生產(chǎn)，如真空微波干燥、太陽能熱壓干燥、太陽能除濕干燥等。在桉木的實際干燥生產(chǎn)時，建議結(jié)合具體產(chǎn)品要求和企業(yè)自身情況選擇合適的干燥方法。

4 結(jié)論與展望

桉木人工林蓄積量大，生長速度快，木材材質(zhì)好，具有進一步作為實木產(chǎn)品用材開發(fā)的巨大潛力。消除桉木皺縮，實現(xiàn)桉木高品質(zhì)的干燥和實木充分利用，是附加值提高的關(guān)鍵。冷凍預(yù)處理及冷凍干燥能夠有效地緩解桉木變形及皺縮問題，是一項高質(zhì)量的干燥技術(shù)，具有一定的推廣應(yīng)用價值。企業(yè)生產(chǎn)中建議采用預(yù)凍—常規(guī)干燥、冷凍—常規(guī)干燥的聯(lián)合干燥處理方式，在保證干燥質(zhì)量的同時可以降低干燥成本。