黑木相思木材干燥特性及干燥工藝制定

周 凡，周永東，高 鑫，付宗營，侯俊峰，翁 翔，林韶輝

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091；2.韶關(guān)市國有河口林場，廣東 韶關(guān) 512532）

黑木相思Acacia melanoxylon為含羞草科Mimosaceae金合歡屬Acacia樹種，原產(chǎn)澳大利亞東南部及塔斯馬尼亞等地區(qū)，后被許多國家和地區(qū)先后引種成功。由于生態(tài)效益好，生長適應(yīng)性強(qiáng)，速生性強(qiáng)，材質(zhì)好，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高[1-7]，20世紀(jì)90年代黑木相思作為優(yōu)材、改土樹種引入中國，在廣東、廣西、福建、海南等地大量推廣種植[6]，是中國南方引種的主要用材樹種之一。隨著市場需求的增大，近年來黑木相思種植面積還在逐漸擴(kuò)大[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2015年起，黑木相思無性系的造林面積正以超過666.7 hm2·a-1的速度發(fā)展[7]，其推廣栽培及資源發(fā)展前景巨大。目前國內(nèi)有關(guān)黑木相思的研究主要集中在引種栽培、苗木選育、生長特性等方面，有關(guān)實(shí)木加工應(yīng)用方面的研究尚且缺乏。木材干燥是合理高效利用木材的重要前提，是木材加工行業(yè)生產(chǎn)過程不可缺少的重要工序[8-9]。百度試驗(yàn)法是常用的制定木材干燥基準(zhǔn)的方法，使用材料少，操作簡便，可用于新材種干燥基準(zhǔn)的快速擬定[10-12]和不同類型材種木材干燥特性的快速比較[13]。本研究針對中國人工種植的黑木相思木材，利用百度試驗(yàn)法研究其基礎(chǔ)干燥特性，采用實(shí)驗(yàn)室干燥設(shè)備探索并優(yōu)化鋸材的干燥工藝，以期編制適合25 mm厚黑木相思鋸材的常規(guī)干燥工藝基準(zhǔn)，為黑木相思木材的實(shí)際開發(fā)和利用提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究材料

黑木相思木材采集自廣東省韶關(guān)市國有河口林場。百度試驗(yàn)用試樣，選擇無缺陷的弦切板生材，于板材中間部位取材，兩端面是新鋸開截面，四面刨光，尺寸為200 mm×100 mm×20 mm，試件數(shù)量12塊，初含水率為(109.31±6.16)%。干燥工藝試驗(yàn)用鋸材用生材直接加工成尺寸為900 mm×120 mm×25 mm 的板材，初含水率為(97.76±17.04)%。

1.2 研究方法

1.2.1 百度試驗(yàn)法 百度試驗(yàn)法參照文獻(xiàn)[14]。試件加工完畢立即標(biāo)明測量點(diǎn)位置，測量尺寸(0.01 mm)和質(zhì)量(0.01 g)。為使試件受熱和通風(fēng)均勻，將其沿紋理方向水平豎立放置于鼓風(fēng)干燥箱中，在(100±2) ℃條件下干燥。干燥過程定時(shí)取出稱量并記錄初期開裂(端裂、端表裂、表裂、貫通裂)的出現(xiàn)及發(fā)展情況。干燥初期每隔1～2 h觀測1次，當(dāng)裂紋發(fā)展到最大時(shí)，記錄試件初期開裂情況；當(dāng)裂紋開始愈合時(shí)，觀測間隔延長至4～8 h或更長。每次觀測同時(shí)稱量，待2次測量基本相同時(shí)認(rèn)為試件達(dá)到絕干，停止干燥。待試件冷卻后取出平放在平板上，使其3個(gè)角著板，量其另一角偏離平板的高度作為扭曲變形值。在原標(biāo)記的各測點(diǎn)測量試件的尺寸，計(jì)算干縮特性。試樣稱量后作為試樣最終質(zhì)量，后在其中心位置沿長度方向截取15.00 mm試片，用烘干法測定其含水率作為試件的最終含水率，計(jì)算試件絕干質(zhì)量，從而推算干燥過程中試件含水率變化。同時(shí)檢查新截?cái)嗝娴膬?nèi)裂情況，測量側(cè)邊厚度與鄰邊下凹處厚度差為截面變形值。

1.2.2 干燥工藝 采用HD 74/TA II型小型木材干燥試驗(yàn)機(jī)通過翅片管式加熱器加熱(0.6 MPa蒸汽)，噴蒸管噴蒸加濕；通過變頻器調(diào)節(jié)控制材堆內(nèi)風(fēng)速，風(fēng)速范圍為0.5～5.0 m·s-1。干燥機(jī)的加熱、加濕方式與企業(yè)生產(chǎn)用的常規(guī)干燥設(shè)備一致；通風(fēng)方式與頂風(fēng)機(jī)型干燥設(shè)備一致。干燥工藝試驗(yàn)每次裝材48塊，材堆尺寸900 mm×800 mm×800 mm，材堆頂部放置不銹鋼壓重，單位面積壓重為248 kg·m-2，風(fēng)速為1.5 m·s-1，與企業(yè)干燥生產(chǎn)用風(fēng)速接近。干燥過程通過干燥試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行，按預(yù)設(shè)干燥基準(zhǔn)自動(dòng)控制干燥機(jī)內(nèi)干濕球溫度，當(dāng)含水率達(dá)到當(dāng)前干燥階段含水率終點(diǎn)時(shí)，控制進(jìn)入下一階段的干燥工藝過程。按照LY/T 1068-2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》規(guī)定，選擇6塊檢驗(yàn)板，定時(shí)取出稱量，推算干燥過程中含水率，并記錄干燥缺陷變化情況。依照GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》，檢測全部干燥鋸材的可見干燥缺陷，對6塊檢驗(yàn)板和從材堆中隨機(jī)抽取的6塊鋸材一起檢測最終含水率、分層含水率、干燥殘余應(yīng)力等指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材干燥特性

統(tǒng)計(jì)黑木相思木材百度試驗(yàn)干燥缺陷和干燥時(shí)間，依據(jù)百度試驗(yàn)法的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]評定試件的干燥特性等級(jí)，具體結(jié)果見表1。

表1 黑木相思木材百度試驗(yàn)干燥特性及等級(jí)Table 1 Grades of drying defects and drying time in 100 ℃ test for A.melanoxylon wood

2.1.1 初期開裂 試件初含水率高，干燥1 h時(shí)，25.00%試件的端面出現(xiàn)細(xì)微裂紋；干燥2 h，所有試件端面均出現(xiàn)細(xì)微裂紋，16.67%試件開始出現(xiàn)端表裂，有2塊試件各產(chǎn)生1條貫通性裂紋；干燥3 h時(shí)，66.67%試件出現(xiàn)端表裂。隨著干燥時(shí)間延長，試件含水率繼續(xù)降低，試件裂紋長度及寬度繼續(xù)發(fā)展，裂紋數(shù)量增多。干燥7 h時(shí)，裂紋集中出現(xiàn)，此時(shí)試件平均含水率約為55.00%，之后初期開裂緩慢發(fā)展并趨于穩(wěn)定，干燥14 h初期開裂達(dá)到最大值，此時(shí)試件平均含水率約為33.00%。高溫低濕環(huán)境下，高初含水率的試件迅速排出表層水分，表面與內(nèi)部含水率梯度過大，表層受到的拉應(yīng)力超出木材的抗拉強(qiáng)度，形成初期開裂[12]。隨著干燥繼續(xù)進(jìn)行，木材內(nèi)部開始收縮，應(yīng)力反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了內(nèi)拉外壓的應(yīng)力分布，木材初期開裂逐漸閉合[12,16]。干燥約35 h，所有初期裂紋基本愈合。觀察發(fā)現(xiàn)：黑木相思木材初期開裂主要為端裂和端表裂，且所有端裂和端表裂愈合前寬度最大值小于1.00 mm，長度最大值小于5.00 cm。按照百度試驗(yàn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，試件初期開裂等級(jí)為2～4級(jí)，其中2級(jí)占83.33%，4級(jí)占16.67%；以最低干燥缺陷原則考慮初期開裂等級(jí)為4級(jí)。初期開裂形成的主要原因是干燥初期的干濕球溫度差過大、溫度過高。因此在制定干燥基準(zhǔn)時(shí)，干燥初期的干濕球溫度差及溫度不宜設(shè)定太高，有利于控制干燥速度，避免開裂，保證干燥質(zhì)量。

2.1.2 內(nèi)部開裂 一般來說，內(nèi)裂是一種較嚴(yán)重的干燥缺陷。觀察發(fā)現(xiàn)：試件干燥后期含水率變化平緩，木材內(nèi)水分排除較為均勻，木材內(nèi)部收縮均勻，因此實(shí)驗(yàn)中所有試件均未產(chǎn)生內(nèi)部開裂，判定內(nèi)裂等級(jí)均為1級(jí)。

2.1.3 截面變形 試件的截面變形值為0.18～0.86 mm，根據(jù)百度試驗(yàn)法的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判定變形等級(jí)為1～2級(jí)，其中1級(jí)占41.67%，2級(jí)占58.33%；綜合考慮截面變形等級(jí)為2級(jí)。截面變形由干燥過程中木材表層與內(nèi)層水分差異及表層硬化引起[17-18]。黑木相思材質(zhì)較均勻，木材表層及內(nèi)層收縮差異不大，因此截面變形程度較輕。截面變形反映木材的塑性特征，主要是外層的殘余變形，是干燥終了時(shí)木材中殘余應(yīng)力的根源。產(chǎn)生截面變形的主要原因是干燥初期溫度過高、濕度過低[12]。干燥過程中可通過降低干燥初期溫度、增加濕度來減少截面變形。

2.1.4 扭曲變形 試件的扭曲變形值為0.40～4.00 mm，變形等級(jí)為1～3級(jí)，其中1級(jí)占25.00%，2級(jí)占25.00%，3級(jí)占50.00%；綜合考慮扭曲變形等級(jí)為3級(jí)。試件干燥過程中出現(xiàn)的比較明顯的扭曲變形，可能是由板材紋理不通直等導(dǎo)致板材各部位的干縮差異引起[15,19]。干燥過程中可通過終了處理或以機(jī)械抑制的方法在材堆頂部壓重物減小扭曲變形[10]。

2.1.5 干縮特性 木材干縮特性可反映木材的開裂和變形情況。由百度試驗(yàn)法測定的干縮特性(以干縮時(shí)含水率30%計(jì)算)可知(表2)：試件的平均弦向干縮率為5.06%，平均徑向干縮率2.95%，弦向和徑向的差異干縮值為1.75。差異干縮反映木材干燥過程中是否容易翹曲和開裂[11]。根據(jù)材性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[20]，黑木相思的差異干縮屬“小”。試件的平均弦向干縮系數(shù)為0.169%，徑向干縮系數(shù)為0.098%，體積干縮系數(shù)為0.281%，體積干縮系數(shù)屬“很小”。干縮特性結(jié)果表明：黑木相思木材在干燥時(shí)產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢相對較小[20]。由表2所示：試件基本密度、氣干密度(含水率15%)和絕干密度均值分別為0.518 g·cm-3、0.620 g·cm-3和0.562 g·cm-3；黑木相思?xì)飧擅芏冉橛?.551～0.750 g·cm-3范圍，根據(jù)木材密度的5個(gè)品質(zhì)劃分級(jí)別[21]，屬于中等級(jí)別。

表2 百度試驗(yàn)測定黑木相思木材干縮特性和密度Table 2 Shrinkage characteristics and densities of A.melanoxylon wood by 100 ℃ test

2.1.6 干燥速度 百度試驗(yàn)過程中試件含水率變化見圖1。試件從平均初含水率109.31%干至30.00%，平均用時(shí)約14.7 h，干燥速率為5.40%·h-1；從含水率30.00%干至5.00%時(shí)，平均用時(shí)約16.4 h，干燥速率為1.52%·h-1。干燥后期試件干燥速率小于干燥前期，用時(shí)約67.2 h，此后試件平均干燥速率近乎為零。在劇烈的外部干燥環(huán)境中，干燥速率取決于可供蒸發(fā)的水分量以及水分在木材內(nèi)部移動(dòng)的難易程度[13]。干燥前期主要是木材中的自由水在毛細(xì)管張力作用下，由內(nèi)部迅速移動(dòng)至表層蒸發(fā)；干燥中、后期，干燥由木材中吸著水蒸發(fā)造成，水蒸發(fā)所需動(dòng)力增大，干燥速率降低[22]。在保證干燥質(zhì)量的基礎(chǔ)上，干燥過程應(yīng)逐步提高干濕球溫差，可提高排除吸著水的能量[23]。干燥速度表征木材內(nèi)部水分向外流動(dòng)的快慢，反映了木材干燥的難易程度，與木材的材質(zhì)和構(gòu)造有關(guān)。

圖1 百度試驗(yàn)中黑木相思木材含水率的變化Figure 1 Change of moisture content in 100 ℃ test for A.melanoxylon

2.2 擬定木材干燥條件

參照百度試驗(yàn)法干燥缺陷等級(jí)對應(yīng)干燥條件的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]，獲得的黑木相思木材干燥的初終期干燥條件如表3所示。從所列干燥條件中選出最低值為干燥基準(zhǔn)的基本條件，即初期溫度50.0 ℃，初期干濕球溫差2～3 ℃，末期溫度80.0 ℃。參考闊葉材密度與干燥條件的關(guān)系[24-25]，計(jì)算黑木相思木材適用的干燥基準(zhǔn)編號(hào)為7-4-3或T7-D3(溫度編號(hào)=13.7-13.6×0.518=6.66≈7；含水率編號(hào)=4.51-1.56×0.518=3.70≈4，干濕球溫差編號(hào)=5.20-3.95×0.518=3.15≈3)，具體為干燥初期溫度54.4 ℃，干濕球溫差2.8 ℃，末期溫度71.1 ℃。由干燥特性可知：黑木相思初期開裂等級(jí)相對較高，截面變形及內(nèi)裂等級(jí)相對較小，因而對其進(jìn)行干燥時(shí)，前期干濕球溫差不宜過大，升溫不宜過快，以免出現(xiàn)初期開裂；中后期各階段升溫幅度及干濕球溫度差可適當(dāng)加大，以提高干燥效率。綜上，擬定黑木相思板材干燥的初期溫度為55.0 ℃，初期干濕球溫差為3.0 ℃，末期溫度為80.0 ℃。

表3 百度試驗(yàn)測定黑木相思木材干燥條件Table 3 Drying conditions corresponding to defects grades in 100 ℃test for A.melanoxylon wood

根據(jù)擬定的木材干燥初終期條件，參照國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1068-2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》中闊葉材干燥基準(zhǔn)的一般編制原則，初步擬定黑木相思鋸材的干燥基準(zhǔn)(表4)。干燥初期干濕球溫差3～5 ℃，當(dāng)含水率降至30%后，含水率每降低5%，干球溫度升高5～7 ℃，干濕球溫差增加1.2～1.6倍，整個(gè)干燥過程干濕球溫差最大約20～28 ℃。

表4 擬定的黑木相思鋸材干燥基準(zhǔn)Table 4 Preliminary proposed drying schedule for A.melanoxylon lumber

2.3 干燥工藝試驗(yàn)

2.3.1 干燥基準(zhǔn)優(yōu)化 根據(jù)擬定的干燥基準(zhǔn)，用小型木材干燥試驗(yàn)機(jī)對25 mm厚黑木相思木材進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。干燥質(zhì)量檢測結(jié)果表明鋸材最終含水率為6.88%，殘余應(yīng)力值(2.94±1.92)%，其余指標(biāo)均滿足鋸材干燥質(zhì)量的二級(jí)指標(biāo)要求。根據(jù)鋸材終含水率較低而殘余應(yīng)力較大的情況，對擬定的干燥基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，最終得到優(yōu)化的25 mm厚黑木相思鋸材干燥基準(zhǔn)(表5)。依照GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》對于二級(jí)干燥材的要求設(shè)定平衡處理?xiàng)l件，在檢驗(yàn)板含水率最低值為8%時(shí)開始，至檢驗(yàn)板含水率最高值12%時(shí)結(jié)束。干燥末期的平衡處理和終了處理的最高溫度高于80.0 ℃，有利于鋸材中水分的移動(dòng)及殘余應(yīng)力的釋放。

圖2 25 mm厚黑木相思鋸材干燥過程曲線Figure 2 Drying curve for 25 mm-thickness A.melanoxylon lumber

2.3.2 鋸材干燥曲線 采用優(yōu)化的干燥基準(zhǔn)進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，根據(jù)6塊檢驗(yàn)板在干燥過程中的平均含水率變化情況，得到25 mm厚黑木相思鋸材的干燥過程曲線(圖2)。鋸材由平均初含水率110.40%干燥至終含水率8.42%，平均干燥速率約為0.38%·h-1，整個(gè)干燥過程共耗時(shí)268.0 h，即干燥周期為11.2 d。整個(gè)干燥過程中干燥速率比較穩(wěn)定，表明干燥過程中溫度條件的設(shè)定比較合理。

2.3.3 鋸材干燥質(zhì)量 由表6可知：采用優(yōu)化干燥基準(zhǔn)進(jìn)行干燥，鋸材的平均最終含水率為8.31%，滿足鋸材干燥質(zhì)量的二級(jí)指標(biāo)要求。鋸材的干燥均勻度、厚度上含水率偏差、殘余應(yīng)力以及可見干燥缺陷方面的指標(biāo)均可滿足鋸材干燥質(zhì)量的一級(jí)指標(biāo)。綜合評價(jià)，根據(jù)優(yōu)化的干燥基準(zhǔn)進(jìn)行25 mm厚黑木相思鋸材干燥，可獲得滿足二級(jí)干燥質(zhì)量指標(biāo)的干燥鋸材，適用于家具、建筑門窗、實(shí)木地板、細(xì)工木板、室內(nèi)裝飾、文體用品等實(shí)木制品的生產(chǎn)。

表6 優(yōu)化后25 mm厚黑木相思鋸材干燥質(zhì)量Table 6 Drying qualities of 25 mm-thickness A.melanoxylon lumber

3 結(jié)論

百度試干燥驗(yàn)法表明：黑木相思木材干燥缺陷初期開裂和扭曲變形等級(jí)相對較高，分別為4級(jí)和3級(jí)；截面變形及內(nèi)裂等級(jí)較小，分別為2級(jí)和1級(jí)；干燥速度中等，為3級(jí)。為避免初期開裂，干燥前期干濕球溫差不宜過大，升溫不宜過快，中后期干濕球溫差和升溫可適當(dāng)加大，提高干燥效率。

對黑木相思鋸材進(jìn)行干燥工藝優(yōu)化試驗(yàn)，得到優(yōu)化的25 mm厚黑木相思鋸材干燥基準(zhǔn)，干燥初期溫度55.0 ℃，初期干濕球溫度差3.0 ℃，末期溫度80.0 ℃。以干燥鋸材的平均最終含水率、干燥均勻度、厚度上含水率偏差、殘余應(yīng)力、可見干燥缺陷等指標(biāo)綜合評價(jià)，干燥鋸材的質(zhì)量達(dá)到GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》中鋸材干燥質(zhì)量二級(jí)指標(biāo)。實(shí)際干燥生產(chǎn)還需依干燥設(shè)備及裝材量等對干燥工藝進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，在滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的前提下，提高干燥質(zhì)量及效率，降低生產(chǎn)成本。