微波干燥對(duì)尾巨桉木材物理性質(zhì)影響

劉媛，朱蕓，許翠娟，盧翠香，周維，陳健波

微波干燥對(duì)尾巨桉木材物理性質(zhì)影響

劉媛1，朱蕓2，許翠娟3，盧翠香1，周維1，陳健波1

(1. 廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院/廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002；2. 國營長虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541003；3. 廣西壯族自治區(qū)國有高峰林場(chǎng)，廣西 南寧 530002)

本研究以5 a 生尾巨桉木材為對(duì)象，分別對(duì)微波真空干燥和常規(guī)加熱干燥后尾巨桉木材的物理性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定和分析，測(cè)定指標(biāo)包括木材密度、干縮性、濕脹性、吸水性。結(jié)果表明：尾巨桉木材氣干密度為0.477 7 g·cm-3，屬2級(jí)；常規(guī)干燥處理材的氣干差異干縮與全干差異干縮值均高于微波干燥處理材，微波真空干燥處理在一定程度上降低了木材的差異干縮；微波干燥處理材吸水率均高于常規(guī)干燥處理材，微波干燥提高了速生桉木材的吸水性；微波真空干燥降低了木材濕脹性。

微波干燥；尾巨桉；物理性質(zhì)

桉樹()是廣西重要的速生林品種之一，是人造板(膠合板、纖維板、刨花板) 材和紙漿的重要原料[1]。截至2017年，廣西木材生產(chǎn)總量達(dá)3 059萬立方米，其中桉樹占70%[2]，廣西已成為我國速生桉樹的重要生產(chǎn)基地[3]。但桉樹存在生長應(yīng)力大，干燥過程易產(chǎn)生皺縮，造成制品開裂、變形和加工質(zhì)量下降等問題[4]。因此，如何克服桉樹木材的干燥缺陷，是提高桉樹木材附加值的關(guān)鍵[5]。微波真空干燥結(jié)合了微波加熱和真空干燥的優(yōu)點(diǎn)，是一種干燥速率快、環(huán)境友好型的低溫高效干燥新技術(shù)[6]。從20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)外學(xué)者將微波處理技術(shù)應(yīng)用于木材干燥過程[7]。澳大利亞學(xué)者[8-9]發(fā)現(xiàn)微波處理作為木材干燥前的一種預(yù)處理手段可顯著提高輻射松()和黃杉屬()等木材的心材滲透性和浸注性。江濤等[10]采用高強(qiáng)度微波對(duì)落葉松()木材進(jìn)行輻射處理，研究了木材初含水率、微波功率及處理時(shí)間對(duì)微波處理后木材滲透性的影響。李賢軍等[11]采用百度試驗(yàn)法研究3種木材的干燥特性，初步探討了微波預(yù)處理對(duì)木材干燥特性的影響規(guī)律。劉志軍[12]以馬尾松()木材為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究影響微波能利用率和木材干燥速率的一般特性，總結(jié)了干燥過程中內(nèi)部蒸汽壓力和木材溫度的變化規(guī)律。王婧[13]以尾葉桉()木材為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了微波預(yù)處理工藝，揭示了微波處理對(duì)木材物理性質(zhì)影響。木材微波真空干燥是一種快速高效的新型干燥技術(shù)，還未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，因此加強(qiáng)這一領(lǐng)域的研究具有重要意義[6]。在干燥過程中，木材物理性能的變化與常規(guī)加熱干燥存在差異，研究木材脹縮變化規(guī)律是關(guān)鍵。本文系統(tǒng)研究了5 a生尾巨桉()木材，對(duì)微波真空干燥和常規(guī)加熱干燥后尾巨桉木材物理性質(zhì)包括木材密度、干縮性、濕脹性和吸水性等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定和分析，以期為桉樹木材微波真空干燥技術(shù)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試材選自廣西壯族自治區(qū)南寧樹木園新塘橋管理區(qū)居仁站3林班11、12小班5年生尾巨桉無性系第一代萌芽林。試驗(yàn)樹種為尾巨桉無性系26號(hào)，樣木采集方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1927－2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》[14]。尾巨桉平均樹高22.0 m，平均胸徑22.1 cm。取徑弦向紋理均較明顯的試材加工加工規(guī)格為20 mm × 20 mm × 20 mm (L×W×H)標(biāo)準(zhǔn)試件，以試材中間部位截取試件，四面刨光，取無可見缺陷、材色正常的弦切板。

1.2 試驗(yàn)儀器

可控干燥箱：101-3A型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，上虞市華南儀器設(shè)備有限公司制造。

微波真空干燥箱：0RW08S-3Z 型爐式微波真空干燥殺菌設(shè)備，南京澳潤微波科技有限公司制造。

電子數(shù)顯卡尺：廣陸3V鋰電數(shù)顯卡尺，桂林廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司制造。

數(shù)顯千分尺：三量電子螺旋測(cè)微千分卡尺，日本三量公司制造。

1.3 試驗(yàn)方法

采用電熱鼓風(fēng)干燥箱和微波真空干燥箱2種方法分別對(duì)木材進(jìn)行干燥處理，每個(gè)處理30塊試件。常規(guī)干燥試驗(yàn)，設(shè)置電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥溫度60 ℃，干燥時(shí)間8 h。微波干燥試驗(yàn)，設(shè)置微波處理功率800 W、微波干燥溫度60 ℃、真空度為0.04 ~ 0.06 Mpa、干燥時(shí)間為8 h。

測(cè)試指標(biāo)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1933－2009《木材密度測(cè)定方法》[15]、GB / T 1932－2009《木材干縮性測(cè)定方法》[16]、GB/T1934.1－2009《木材吸水性測(cè)定方法》[17]、GB/T1934.2－2009《木材濕脹性測(cè)定方法》[18]要求進(jìn)行。測(cè)定指標(biāo)包括木材基本密度、氣干密度、全干密度，木材弦向、徑向和體積氣干干縮率、全干縮率及干縮系數(shù)，從全干至氣干的濕脹率和從全干至飽水的濕脹率和吸水率等指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材密度分析

木材密度是判斷木材物理力學(xué)性質(zhì)和工藝性質(zhì)的重要指標(biāo)之一[19]。尾巨桉基本密度、氣干密度和全干密度分別是0.391 6、0.477 7和0.437 7 g·cm-3(表1)。根據(jù)《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》[20]，木材物理性質(zhì)分為5級(jí)，其氣干密度屬2級(jí)( 0.351 ~ 0.550 g·cm-3)。尾巨桉木材基本密度、氣干密度和全干密度變異系數(shù)分別是6.62%、7.40%、7.92%。

表1 尾巨桉木材密度均值及變異

2.2 木材干縮性分析

木材的干縮濕脹是木材加工利用上的一大問題，它不僅改變木材的尺寸和體積，還因干縮不均而引起木材開裂、翹曲變形等缺陷。干縮性能是木材重要的物理性質(zhì)之一，直接地影響著木材和木制品的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及使用性能的美觀等。木材是各向異性構(gòu)造的材料，木材的干縮主要表現(xiàn)為木材橫向收縮，并且弦向收縮總是大于徑向這種現(xiàn)象稱作差異干縮。木材的這種差異干縮可以用干裂勢(shì)表示，即弦向干縮率與徑向干縮率的比值，可以用于衡量木材干燥過程中發(fā)生開裂與變形的難易程度，數(shù)值越小干燥過程中出現(xiàn)開裂與變形的可能性越小。了解木材的干縮性及干縮規(guī)律，對(duì)于木材的加工與利用具有重要意義[19]。

由表2可知，尾巨桉木材從濕材至氣干材時(shí)，采用常規(guī)干燥方式的弦向、徑向和體積干縮率為2.913%、0.918%和3.839%，差異干縮為3.174；采用微波干燥方式的弦向、徑向和體積干縮率為2.883%、0.953%和3.855%，差異干縮為3.026。速生桉木材從濕材至全干材時(shí)，采用常規(guī)干燥方式的弦向、徑向和體積干縮率為7.477%、3.175%和10.619%，差異干縮為2.355；采用微波干燥方式的弦向、徑向和體積干縮率為7.181%、3.090%和10.277%，差異干縮為2.324。根據(jù)《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》[20]可知，尾巨桉木材的差異干縮屬4級(jí)( 2.11 ~ 2.60) ，差異干縮偏大。

氣干干縮指標(biāo)，常規(guī)干燥處理材的弦向干縮率高于微波干燥處理材，徑向、體積干縮率低于微波干燥處理材；全干干縮指標(biāo)，常規(guī)干燥處理材的弦向、徑向、體積干縮率皆高于微波干燥處理材。常規(guī)干燥處理材的氣干差異干縮與全干差異干縮值均高于微波干燥處理材。微波真空干燥處理在一定程度上降低了木材的差異干縮。

表2 不同干燥方式對(duì)尾巨桉木材干縮性影響

2.3 木材吸水性分析

木材的吸水性對(duì)木材的油漆膠粘、制漿蒸煮、藥劑浸注及水運(yùn)均有重要意義[21]。測(cè)定不同干燥方式干燥后尾巨桉全干材浸水40 d 的吸水性，各段浸泡時(shí)間的吸水性見表3，為更好地反映尾巨桉吸水速率，繪制出吸水性曲線(圖1)。

圖1 不同干燥方式尾巨桉木材含水率隨時(shí)間變化曲線

由表3可知，不同干燥方式處理后木材吸水性，均呈現(xiàn)浸漬初始階段(6 h)吸水率增加幅度最大，隨著浸漬時(shí)間的延長，吸水性增加幅度逐漸變小。微波干燥處理材的最大吸水率高于常規(guī)干燥處理材，隨著處理時(shí)間的延長，微波干燥處理材吸水率均高于常規(guī)干燥處理材，微波干燥處理后的速生桉木材的吸水性都有一定程度的提高，但微波干燥處理的木材吸水率在不同浸漬階段變異系數(shù)是降低的。微波處理可破壞木材的微觀結(jié)構(gòu)，破壞紋孔膜，有效提高木材的流體滲透性，微波干燥提高了速生桉木材的吸水性。

2.4 木材濕脹性分析

木材濕脹率有2種測(cè)定方法: 一種是試樣從全干到氣干時(shí)測(cè)出的濕脹率；另一種是試樣從全干到吸水至尺寸穩(wěn)定時(shí)測(cè)出的濕脹率，木材的濕脹和干縮都具有各向異性，通常表現(xiàn)為縱向線濕脹率較小，弦向線濕脹率較大，一般是徑向線濕脹率的1.5 ~ 2.0倍。差異濕脹為弦向濕脹率和徑向濕脹率之比。

由表4可知，尾巨桉木材從全干至氣干時(shí)，采用常規(guī)干燥方式的弦向、徑向和體積濕脹率為3.763%、1.895%和5.981%，差異濕脹為1.986；采用微波干燥方式的弦向、徑向和體積濕脹率為3.552%、1.920%和5.833%，差異干縮為1.850。尾巨桉木材從全干至吸水穩(wěn)定時(shí)，采用常規(guī)干燥方式的弦向、徑向和體積濕脹率為3.552%、1.920%和5.833%，差異濕脹為1.850；采用微波干燥方式的弦向、徑向和體積濕脹率為8.403%、3.587%和12.564%，差異干縮為2.343。

微波干燥處理的尾巨桉木材與常規(guī)干燥處理的速生桉濕脹率平均值對(duì)比，微波干燥的處理材氣干與吸水穩(wěn)定濕脹率的弦向、徑向、體積和差異濕脹系數(shù)不同程度低于常規(guī)干燥處理材，說明微波真空干燥降低了木材濕脹性。

表3 不同干燥方式對(duì)尾巨桉木材吸水性影響 %

注：表中帶*號(hào)數(shù)據(jù)為變異系數(shù)

表4 不同干燥方式對(duì)尾巨桉木材濕脹率影響

3 結(jié)論

(1) 本研究尾巨桉木材基本密度、氣干密度和全干密度分別是0.391 6、0.477 7和0.437 7 g·cm-3。根據(jù)《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》，其氣干密度屬2級(jí)( 0.351 ~ 0.550 g·cm-3) 。

(2) 常規(guī)干燥處理材的氣干差異干縮與全干差異干縮值均高于微波干燥處理材。微波真空干燥處理在一定程度上降低了木材的差異干縮。

(3) 微波干燥處理材吸水率均高于常規(guī)干燥處理材，微波干燥處理后的速生桉木材其吸水性均有一定程度的提高，但是微波干燥處理的木材吸水率在不同浸漬階段變異系數(shù)是降低的。微波處理可以破壞木材的微觀結(jié)構(gòu)，破壞紋孔膜，有效提高木材的流體滲透性，微波干燥提高了速生桉木材的吸水性。

(4) 微波干燥處理的速生桉木材與常規(guī)干燥處理的速生桉濕脹率平均值對(duì)比，微波干燥的處理材氣干與吸水穩(wěn)定濕脹率的弦向、徑向、體積和差異濕脹系數(shù)不同程度低于常規(guī)干燥處理材，說明微波真空干燥降低了木材濕脹性。

[1] 任世奇,羅建中,彭彥,等.桉樹無性系的單板出材率與價(jià)值研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2010,19(6):46-54.

[2] 蔣衛(wèi)民,李孝忠.科學(xué)發(fā)展桉樹培育優(yōu)質(zhì)森林——我區(qū)科學(xué)發(fā)展桉樹產(chǎn)業(yè)綜述[N/OL].(2018-06-06)[2019-11-31]. http://gxrb.gxrb.com.cn/html/2018-06/06/content_1503148.htm.

[3] 張建平.廣西桉樹人工林經(jīng)營狀況及可持續(xù)發(fā)展研究[J].綠色科技,2013(3):97-98,100.

[4] 殷亞方,姜笑梅,呂建雄,等.我國桉樹人工林資源和木材利用現(xiàn)狀[J].木材工業(yè),2001,15(5):3-5.

[5] 劉元,吳義強(qiáng),喬建政,等.桉樹人工林木材的干燥特性及干燥基準(zhǔn)研究[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào),2002,22(4):44-48.

[6] 李賢軍.木材微波真空干燥特性及其熱質(zhì)遷移機(jī)理[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2009.

[7] 李賢軍,張璧光,牟群英.木材微波干燥的應(yīng)用與研究動(dòng)態(tài)[J].干燥技術(shù)與設(shè)備,2003(2):1-14.

[8] YOUNG A. Improvement of bio-based composite properties through cold plasma treatments[Z]. Vancouver: Seeond Pacific Bio-based Composites SymPosium,1994.

[9] VINDEN P, TORGOVNIKOV G. The physical manipulation of wood properties using microwave[Z]. The Future of Eucalypts for Wood Production, International conference of IUFRO, 2000.

[10] 江濤,周志芳,王清文.高強(qiáng)度微波輻射對(duì)落葉松木材滲透性的影響[J].林業(yè)科學(xué),2006,42(11):87-92.

[11] 李賢軍,伊松林.微波預(yù)處理對(duì)三種人工林木材干燥特性的影響[J].林產(chǎn)工業(yè),2008,35(4):32-34.

[12] 劉志軍.木材微波干燥特性的研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2006.

[13] 王婧.微波預(yù)處理對(duì)尾葉桉人工林木材干燥特性的影響[D].北京:中國林業(yè)科學(xué)研究院,2010.

[14] 全國木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).木材物理力學(xué)試材采集方法:GB/T 1927－2009 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[15] 全國木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).木材密度測(cè)定方法:GB/T 1933－2009 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[16] 全國木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).木材干縮性測(cè)定方法:GB/T 1932－2009[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[17] 全國木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).木材吸水性測(cè)定方法:GB/T 1934.1－2009 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[18] 全國木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).木材濕脹性測(cè)定方法:GB/T 1934.2－2009 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[19] 成俊卿,蔡少松.木材識(shí)別與利用[M].北京:中國林業(yè)出版社,1982.

[20] 李堅(jiān).木材科學(xué)研究[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[21] 梁善慶,羅建舉.人工林米老排木材的物理力學(xué)性質(zhì)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(5):97-100,116.

Effects of Microwave Drying on Wood Physical Properties of

LIU Yuan1,ZHU Yun2, XU Cuijuan3, LU Cuixiang1, ZHOU Wei1, CHEN Jianbo1

(1.2.3.)

In this study, the physical properties of 5-year-oldwood after microwave vacuum drying and conventional heat drying were measured and analyzed. Wood properties measured included wood density, shrinkage, swelling and water absorption. The results showed that the wood airdried density ofwas 0.477 7g·cm-3, assigning it to class 2. The shrinkage values from conventional heat drying were higher than those from microwave drying, and the differential shrinkage values of wood subject to microwave drying were lower than that of wood subject to with conventional heat drying. The water absorption rate of wood subject to microwave drying was higher than that of conventional heat dried wood, and it was found that microwave vacuum drying reduces the swelling of wood.

microwave drying;; physical properties

10.13987/j.cnki.askj.2020.01.005

S781.71

A

廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)(桂科AA17204087-6)；廣西林業(yè)科技項(xiàng)目(桂林科研〔2015〕第44號(hào))；廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目(桂科AB16380036)

劉媛(1981－ )，女，碩士，高級(jí)工程師，從事木材科學(xué)與技術(shù)研究，E-mail:33168764@qq.com