預(yù)處理對風車木尺寸穩(wěn)定性及滲透性的影響

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

深色名貴硬木“風車木”(Conbretumimberbe)產(chǎn)自非洲莫桑比克等地，俗稱皮灰、黑紫檀、黑檀木，是制作名貴硬木家具的優(yōu)質(zhì)材料[1]。但風車木硬度大、材性脆，因此在家具產(chǎn)品開發(fā)時要綜合考慮材性、結(jié)構(gòu)、加工方式及設(shè)計等各方面因素[2-3]。木材干燥是確保木制品質(zhì)量的重要加工環(huán)節(jié)[4]，但風車木密度大、侵填體多，干燥困難，容易出現(xiàn)干燥缺陷[5]。盡管某些特種干燥方法[6-7]能夠提高名貴硬木的干燥速度，但常規(guī)蒸汽干燥綜合效果最好。

木材的干燥特性及干燥質(zhì)量受滲透性影響，木材經(jīng)預(yù)處理后其滲透性能夠得到明顯改善[8-10]，此外其尺寸穩(wěn)定性也能提高[11-12]。木材冷凍預(yù)處理能夠改善并優(yōu)化其干燥特性[13]；汽蒸預(yù)處理可降低木材的干縮率及濕脹率，同時改善木材的物理性能，提高干燥質(zhì)量[14]；水煮預(yù)處理可使木材中的內(nèi)含物溶出，提高滲透性，降低木材的吸濕性和吸水性，提高尺寸穩(wěn)定性，加快干燥速率[15]。

本試驗對風車木進行冷凍、汽蒸及水煮預(yù)處理，研究預(yù)處理對風車木干燥材平衡含水率(EMC)、尺寸穩(wěn)定性及滲透性的影響，為風車木干燥特性及干燥質(zhì)量改善提供技術(shù)支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

風車木板材由福建仙游德古家具有限公司提供，初含水率為21%，基本密度約為0.81 g/cm3。將風車木板材鋸制并刨光，試件尺寸為300 mm(L)×25 mm(T)×25 mm(R)，用環(huán)氧樹脂封端。試件標號、處理方法、規(guī)格及數(shù)量見表1。

表1 試驗材料和干燥方法

1.2 試驗設(shè)備

冷凍預(yù)處理：普通型冷凍干燥機(LGJ-10C)，北京四環(huán)科學儀器廠有限公司生產(chǎn)；汽蒸預(yù)處理：自制不銹鋼電熱加熱器；水煮預(yù)處理：數(shù)顯三用恒溫水箱(LGJ-10C)，金壇市國旺實驗儀器廠生產(chǎn)。

恒溫恒濕箱(DF-HWJS-100)，南京德孚試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)；恒溫鼓風干燥箱(DHG-9643BS-Ⅲ)，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司生產(chǎn)；電子天平(FA2004，精度0.01 g)，上海精密儀器有限公司生產(chǎn)；數(shù)顯游標卡尺(精度0.01 g)，日本三豐生產(chǎn)；至尊電子秤(HY-809B)；其他輔助工具等。

1.3 試驗方法

1.3.1 冷凍、汽蒸、水煮預(yù)處理

(1)預(yù)凍：試件放置于冷凍干燥機冷阱中進行預(yù)凍處理，溫度-60 ℃，時間14 h。

(2)汽蒸：將試件置于電熱開水器內(nèi)進行汽蒸預(yù)處理，溫度100 ℃，時間2 h。

(3)水煮：將試件置于恒溫水箱內(nèi)進行水煮預(yù)處理，溫度100 ℃，時間2 h。

1.3.2 平衡含水率及濕脹性檢測

將所有處理后試件置于恒溫恒濕箱內(nèi)干燥至含水率為10%。將干燥后的試件刨光后鋸至20 mm(R)×20 mm(T)×20 mm(L)的小試件30個。按GBT 1929—2009《木材含水率測定方法》、GBT 1934.2-2009《木材濕脹性測定方法》測量木材的平衡含水率、吸濕膨脹率及吸水膨脹率。每個預(yù)處理條件選擇15塊試件。試材的平衡含水率、吸濕體積濕脹率及吸水體積濕脹率分別按式(1)、式(2)和式(3)計算。

(1)

式中：EMC為試件平衡含水率(%)；Me為試件達到平衡時的質(zhì)量(g)；M0試件全干時的質(zhì)量(g)。

(2)

式中：αVw為試件從全干到氣干時的吸濕體積濕脹率(%)；Vw為試件氣干時的體積(mm3)；V0為試件全干時的體積(mm3)。

(3)

式中：αmax為試件吸水至尺寸穩(wěn)定時的吸水體積濕脹率(%)；Vmax為試件吸水至尺寸穩(wěn)定時的體積(mm3)。

1.3.3 滲透性檢測

本試驗采用氣干試件在常壓條件下的吸水速率評價木材滲透性。將每個預(yù)處理件和另外15塊試件放置于陰涼處，每隔3天測重一次，至質(zhì)量變化小于0.5%時認為試件達到氣干狀態(tài)。將氣干試件放入常壓、28 ℃的蒸餾水中浸泡，記錄其質(zhì)量變化直至小于0.5%時認為試件達到吸水穩(wěn)定狀態(tài)。吸水增重率計算式為：

(4)

式中：G為試件的吸水增重率(%)；m為試件吸水后的質(zhì)量(g)；mq為試件氣干時的質(zhì)量(g)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理對風車木平衡含水率的影響

表2是預(yù)處理及未處理材常規(guī)干燥后試件的平衡含水率。與未處理材相比，預(yù)處理試件的平衡含水率普遍降低。冷凍預(yù)處理材、水煮材、汽蒸材的平衡含水率分別降低2.9%、3.0%和12.6%。汽蒸材的平衡含水率出現(xiàn)大幅降低，主要是由于汽蒸處理產(chǎn)生熱濕作用，導致木材半纖維素的一些多糖裂解，產(chǎn)生糖醛等產(chǎn)物，這些物質(zhì)在熱濕作用下聚合成吸濕性極低的新物質(zhì)，減少了木材的水分吸著點，從而降低了木材的平衡含水率。

表2 預(yù)處理材與未處理材平衡含水率

2.2 預(yù)處理對風車木吸濕膨脹率的影響

表3是預(yù)處理及未處理材常規(guī)干燥后試件的濕脹率。由表3可以看出，與未處理材相比，除水煮材外試件吸濕體積濕脹率出現(xiàn)不同程度降低，而水煮材的吸濕體積濕脹率出現(xiàn)小幅增加。冷凍與汽蒸材的吸濕體積膨脹率分別降低2.4%與28.9%，而水煮材的吸濕體積膨脹率增加6.9%。結(jié)果表明汽蒸處理顯著減小了木材的吸濕體積濕脹率，大幅度提高了木材的尺寸穩(wěn)定性。

表3 預(yù)處理材與未處理材濕脹性

2.3 預(yù)處理對風車木吸水膨脹率的影響

由表3可知，與未處理材相比，冷凍材的吸水體積膨脹率降低了7.3%，汽蒸材降低1.4%，而水煮材的吸水體積膨脹率則增加2.2%。盡管汽蒸處理略微降低了木材的吸水體積膨脹率，但幅度很小。因此水煮預(yù)處理與汽蒸預(yù)處理對風車木的吸水體積膨脹率影響不明顯。此外，木材經(jīng)水煮處理后，其吸濕和吸水膨脹率都增加，表明水煮預(yù)處理不能提高木材的尺寸穩(wěn)定性。

2.4 預(yù)處理對風車木滲透性的影響

未處理與預(yù)處理材的吸水增重率變化曲線如圖1所示。由圖1可知，汽蒸材的吸水率變化最緩且單位時間內(nèi)其增重率最低。吸水第28天時其增重率達18.4%，比未處理材降低24.5%。其吸水速度最慢，為0.06 g/h，與未處理材相比降低9.7%。冷凍和水煮材與未處理材相比，增重率及吸水速率都變化不大。試驗表明汽蒸預(yù)處理能夠顯著提高風車木的滲透性。

圖1 預(yù)處理材與未處理材氣干吸水增重率變化曲線

表4 預(yù)處與未處理材28天后吸水增重率及吸水速度

3 結(jié)論

(1)與未處理材相比，預(yù)處理材的平衡含水率普遍降低，其中冷凍預(yù)處理材平衡含水率降低2.9%，水煮材平衡含水率降低3.0%，汽蒸材的平衡含水率降低12.6%。

(2)與未處理材相比，冷凍預(yù)處理材與汽蒸材的吸濕體積膨脹率分別降低2.4%與28.9%，水煮材的吸濕體積膨脹率增加6.9%；冷凍預(yù)處理材的吸水體積膨脹率降低7.3%，水煮與汽蒸對木材的吸水體積膨脹率影響不明顯。

(4)與未處理材相比，汽蒸材的吸水增重率上升幅度最小，吸水第28天時增重率18.5%，比未處理材降低24.52%，吸水速度最慢，為0.065 g/h，與未處理材相比降低9.7%，汽蒸處理能夠提高木材的滲透性；冷凍預(yù)處理材與水煮材的吸水增重率及速度無明顯變化。

綜上對比，汽蒸預(yù)處理能夠有效降低風車木的平衡含水率、吸濕及吸水膨脹率、吸水增重率，因此能夠改善其尺寸穩(wěn)定性，提高其滲透性并改善其干燥特性。