低溫冷藏干燥過程中尾巨桉木材的干縮特性

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

由于我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)天然林木材遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需求，加上國外對出口木材的控制，人工林實(shí)木化利用迫在眉睫。人工林尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)由尾葉桉樹與巨桉樹雜交而成[1]，廣泛分布于我國兩廣地區(qū)。其林木種植面積大、生長快、材質(zhì)較好，具有重要的開發(fā)潛力[2]。木材材性對木制品的結(jié)構(gòu)及加工影響較大[3]，而木材干燥能夠提高其材性及加工性能。

尾巨桉木材干燥的難點(diǎn)在于控制其皺縮。皺縮產(chǎn)生的主要原因是自由水遷移產(chǎn)生的表面張力，而預(yù)凍處理[4]、冷凍干燥[5-6]和超臨界干燥[7-9]能夠消除表面張力。溫度是導(dǎo)致皺縮產(chǎn)生的另外一個重要因素，一些低溫干燥技術(shù)[10-12]在尾巨桉木材干燥上具有一定的應(yīng)用潛力。

干燥過程中由于水分的脫除木材將產(chǎn)生收縮，過度收縮將導(dǎo)致木材變形或開裂，研究木材干縮規(guī)律和特性是制定干燥工藝和控制干燥過程的關(guān)鍵[13]。以尾巨桉為試材，研究其在低溫條件下干燥收縮規(guī)律和特性，為尾巨桉低溫干燥工藝的開發(fā)提供實(shí)踐保證。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

速生林尾巨桉木材，產(chǎn)自廣西。原木采伐后立即加工成1 000 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)及1 000 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)規(guī)格方材，用塑料薄膜密封包裹后放入冰柜冷藏保存。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

海爾冷柜(BC/BD-518HD，青島海爾股份有限公司)；鼓風(fēng)干燥箱(DHG-905386-Ⅲ，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)；佳能掃描儀(CanoScan LiDE 700F)；電子天平(FA2004，0.001g，上海精密儀器有限公司)；數(shù)顯游標(biāo)卡尺(日本三豐，0.01 mm)；直尺及其他輔助工具。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 尾巨桉基本材性測量

將規(guī)格為1 000 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)方材加工成20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)試件10塊，在試件上劃線，測量其弦、徑及長度方向的尺寸和質(zhì)量，按GB/T 1931-2009和GB/T 1933-2009測量木材的含水率、密度及干縮。

1.3.2 低溫冷藏干燥條件及工藝

將1 000 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)方材沿L方向鋸截成1 mm、2 mm及3 mm厚試件，每種規(guī)格各5片。在斷面上平行于弦、徑向劃線，測量其弦、徑向尺寸、斷面面積和質(zhì)量。然后把試件放入冷柜內(nèi)進(jìn)行低溫冷藏干燥(4 ℃、約60%)，在規(guī)定時間內(nèi)將試件取出，放入密封袋內(nèi)，然后逐個再次測量其弦、徑向尺寸、面積和質(zhì)量，直至最后兩次測量的質(zhì)量變化小于5‰后結(jié)束干燥。把所有試件取出后放入密封袋內(nèi)，測量其弦、徑向尺寸、面積和質(zhì)量。最后，再把所有試件烘干至絕干，再次測量其弦、徑向尺寸、面積和質(zhì)量。

1.3.3 干燥過程含水率及干燥速度測量

干燥過程中定期取出試件后測量各試件的質(zhì)量，待干燥結(jié)束將所有試件烘干至絕干后再次測量其質(zhì)量，按照GB/T 1931-2009規(guī)定方法計(jì)算干燥過程中各階段的含水率。干燥速度用含水率-干燥時間曲線來表示。用烘干法測量材料的初含水率。

1.3.4 干縮變形檢測

試件的尺寸測量在定期取出的試件質(zhì)量測量后進(jìn)行，面積測量用掃描儀結(jié)合Image J進(jìn)行，干燥結(jié)束后再次測量對應(yīng)試件的尺寸和面積。各含水率階段面積干縮率用公式(1)計(jì)算。

(1)

式中：S為試件面積干縮率(%)；Ai為試件原始面積(mm2)；Aw為試件含水率為w時的面積(mm2)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 桉木含水率及基本材性

尾巨桉木材基本材性見表1。試件的平均初含水率為110.2%，方差很小，表明本次試驗(yàn)所有試件的初含水率均勻。試件的氣干、絕干及基本密度分別為574.7、543.2及472.0 kg/m3。另外，試件經(jīng)103 ℃烘干后其絕干收縮率為13.1%，此收縮率是木材在有干燥應(yīng)力作用下非自由狀態(tài)下的干縮率。其值用于與后面不同厚度試件在低溫冷藏條件下的干縮率進(jìn)行對比。

表1 尾巨桉基本材性參數(shù)

2.2 低溫冷藏條件下桉木的干燥速率

低溫冷藏干燥條件下桉木的含水率與時間變化曲線如圖1所示。木材在低溫(4 ℃)下的干燥速度很慢，即使1 mm厚試件，干燥至纖維飽和點(diǎn)(FSP)附近時也需要48 h，而2 mm和3 mm厚試件則分別需要115 h和355 h。試件越厚，其干燥速度越慢。當(dāng)木材含水率降低至FSP時，其干燥速度明顯下降，水分蒸發(fā)非常緩慢。因?yàn)镕SP以下木材中的水分為結(jié)合水，其脫除需要吸收更多的熱量，而在4 ℃、60%左右的低溫條件下，木材無法獲得使結(jié)合水脫離束縛所需能量，甚至其水分狀態(tài)與低溫冷藏環(huán)境達(dá)到動態(tài)平衡，水分幾乎不再發(fā)生變化，所以，木材在低溫冷藏條件下的蒸發(fā)速度變慢，木材可進(jìn)行緩慢干燥。

圖1 低溫冷藏干燥過程中木材含水率與時間變化

2.3 低溫冷藏條件下桉木的干縮特性

圖2是不同厚度試件在低溫冷藏干燥過程中的收縮曲線，圖3是含水率在FSP以上的收縮曲線，圖中的收縮率是試件橫截面的收縮率。結(jié)合圖2和圖3能夠清晰地看出木材在干燥過程中干縮的變化特征。由圖2可知，F(xiàn)SP以上不同厚度的試件其收縮變化很小，同時其收縮量不同。由圖3可以明顯看出試件厚度對其收縮的影響，其中1 mm試件的收縮率最小，其次是2 mm和3 mm厚試件，且這兩個厚度的收縮率差別不大。所有厚度試件的收縮率都小于1.6%，收縮率較小。FSP以上木材理論上不產(chǎn)生收縮，但尾巨桉是易皺縮木材，因此這部分收縮是木材細(xì)胞的皺縮，通過相關(guān)文獻(xiàn)比較可知，厚度及尺寸較小木材經(jīng)低溫冷藏干燥后其皺縮量非常小。

圖2 低溫冷藏干燥全過程收縮曲線

圖3 低溫冷藏干燥過程中FSP以上的收縮曲線

2.4 試件厚度對干縮率的影響

圖4是試件在低溫冷藏干燥過程中FSP以下數(shù)據(jù)點(diǎn)的回歸曲線。木材在FSP以下，其含水率和收縮率呈線性關(guān)系，因此可以通過測量數(shù)據(jù)獲得回歸方程(圖4和表2)。由圖4可知，試件厚度對木材的干縮率有影響，因此獲得的回歸方程及其系數(shù)和截距都不相同。厚度越小，其斜率越小，截距越小。通過回歸方程可以計(jì)算出任何含水率階段木材的干縮率，表2計(jì)算了不同厚度試件絕干時(含水率為0時)的收縮率，并與以往文獻(xiàn)常規(guī)干燥數(shù)據(jù)及本試驗(yàn)中烘箱干燥數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果表明，桉木經(jīng)低溫冷藏干燥后其絕干收縮率最小，厚度較大的烘箱干燥試件最大，常規(guī)干燥試件居中。其中，1 mm厚試件冷藏干燥后收縮率比20 mm烘箱干燥后的降低了22%。因此，試件厚度及干燥方式對桉木的收縮率都有影響。

圖4 低溫冷藏干燥過程中收縮率與含水率關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1)尾巨桉木材初含水率均勻，均值約為110%，滿足試驗(yàn)要求；其氣干、絕干及基本密度分別為574.7、543.2及472.0 kg/m3；試件經(jīng)103 ℃烘干后全干收縮率為13.1%。

(2)低溫冷藏條件下尾巨桉干燥非常慢，干燥至FSP時，1 mm、2 mm、3 mm厚試件分別需48、115、355 h，厚度越大其干燥越慢。FSP以下時，桉木的干燥速度更慢，幾乎沒有水分蒸發(fā)。

表2 低溫冷藏干燥過程中桉木的全干收縮率及比較

(3)低溫冷藏干燥過程中，F(xiàn)SP以上時所有厚度試件的干縮率都小于1.6%。其中1 mm厚試件收縮率最小，2 mm和3 mm的收縮率差別不大。這部分收縮變形是木材的皺縮。

(4)試件厚度對收縮率有影響。通過回歸方程計(jì)算的全干收縮率中，1 mm試件的最小，比2 mm厚103 ℃烘干試件減小了22%。桉木收縮率受試件厚度及干燥方式的影響。