干燥工藝對桉木干燥特性的影響

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

桉木人工林在全世界范圍內(nèi)廣泛種植，我國的桉木材主要集中于兩廣地區(qū)，桉木蓄積量大，是重要的人工林樹種[1-4]。隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，木材資源不斷緊缺，開展桉樹人工林木材實木化利用的研究刻不容緩。以往的國內(nèi)外研究表明，桉樹木材的干燥技術是其加工利用的關鍵[5]。

桉木干燥過程產(chǎn)生的變形和皺縮嚴重影響其加工和利用。某些特種干燥，如冷凍和超臨界CO2干燥能夠有效地抑制木材皺縮，提高干燥質(zhì)量[6-7]，某些真空干燥能夠在低溫下快速干燥木材[8-11]。但人工林桉木價格較低，常規(guī)干燥成本低，更適合其干燥。經(jīng)過良好干燥的桉木才能滿足工業(yè)化的設計和加工要求[12]。

常規(guī)干燥過程可以調(diào)節(jié)干燥工藝參數(shù)來改變干燥介質(zhì)狀態(tài)，進而影響木材中水分的遷移特性和速度，改變木材的干燥特性和干燥質(zhì)量[13]。本研究以尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)為試材，對其進行連續(xù)式及間歇式干燥實驗，研究干燥工藝對桉木干燥特性的影響，為人工林桉木減少干燥皺縮提高干燥質(zhì)量提供技術參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

尾巨桉速生林木材，產(chǎn)自廣西柳州。原木采伐后，立即用塑料薄膜包裹后放入冰柜冷藏保存。木材初含水率約為104%，氣干密度為0.644 g/cm3。將尾巨桉原木鋸截并刨光成首尾連接試件10塊，規(guī)格為100 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)。

1.2 試驗設備

恒溫恒濕箱(DF-408，南京德孚實驗設備有限公司)；鼓風干燥箱(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，精度0.001 g，上海精密儀器有限公司)；數(shù)顯游標卡尺(日本三豐，精度0.01 mm)。

1.3 試驗方法

1.3.1 連續(xù)及間歇干燥工藝基準

參考前期預實驗結(jié)果擬定4組干燥工藝基準。其中，連續(xù)干燥基準溫度66 ℃和相對濕度66%，干燥溫度和濕度在整個干燥過程保持不變。間歇干燥基準分為快速干燥階段和慢速干燥階段(間歇階段)。所有干燥基準的快速干燥階段與連續(xù)干燥方式相同，在慢速階段降低干燥溫度或提高相對濕度、延長干燥時間減緩干燥速度，防止木材開裂和皺縮，提高其干燥質(zhì)量，具體工藝參數(shù)見表1。

表1 連續(xù)及間歇干燥工藝基準

1.3.2 干燥過程含水率及干燥應力測定

(1)初含水率：干燥試驗開始前，在每塊試件的兩端鋸取5 mm兩片含水率試片，參照GB/T 1931-2009，用烘干法測量材料的初含水率。

(2)干燥過程含水率及分層含水率：干燥過程中，當試件含水率達到預定含水率節(jié)點，將試件從恒溫恒濕箱內(nèi)取出，在試件中間鋸截2片3 mm試片，分別標號為1和2。其中，1號試片測量分成含水率和干燥應力，2號試片測量其面積干縮率。將試片順紋劈成等厚5層，用烘干法測量每層的含水率。各層的含水率平均值為干燥過程試件的當時含水率。

(3)殘余應力測定：干燥過程中測量分層含水率后將1號試片按圖1所示測量其相關變形，干燥應力指標按公式(1)計算。

(1)

式中：Y為試件應力指標(%)；f為試件變形撓度(mm)；L為試件長度(mm)。

圖1 分層含水率及應力試片

1.3.3 干縮變形檢測

干燥過程中鋸截的試片1用于干縮測量，利用掃描儀首先對其進行掃描，用Image J軟件計算其面積，計算方法參考以往研究[14]。最后，把試件干燥至絕干后再次測量其面積和重量。各含水率階段面積干縮率按公式(2)計算。

(2)

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

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 干燥過程干燥速度對比

不同干燥條件下木材含水率與干燥時間的關系如圖2所示。含水率降至30%(纖維飽和點)之前，主要是自由水的脫除，可以看出連續(xù)式干燥基準的干燥速度最快，其次是間歇干燥基準Ⅱ，而間歇干燥基準Ⅰ和Ⅲ的干燥速度差別不大。當含水率低于30%時，各基準的干燥速率差別不大，表明結(jié)合水在各種基準的條件下其脫除都比較困難。

圖2 連續(xù)及間歇干燥速度對比

2.2 干燥過程含水率分布對比

連續(xù)及間歇干燥基準下，桉木分層含水率變化規(guī)律如圖3～6所示。由圖可知，無論連續(xù)還是間歇干燥，木材的含水率分布規(guī)律為中間層高、表層低，形成含水率梯度。含水率梯度是水分遷移的動力，但也是干燥應力產(chǎn)生的主要原因。此外，高含水率階段表心層含水率梯度大，隨著干燥的進行含水率梯度逐漸變小，干燥結(jié)束時表心層幾乎沒有含水率梯度。

圖3 連續(xù)干燥試件分層含水率

圖4 間歇干燥基準Ⅰ分層含水率

圖5 間歇干燥基準Ⅱ分層含水率

圖6 間歇干燥基準Ⅲ分層含水率

由圖3同時可以明顯看出，連續(xù)式干燥基準的含水率分布明顯不同于間歇式干燥，其干燥后木材表心層含水率梯度大于間歇式干燥。干燥初期，間歇式干燥基準Ⅱ的表心層含水率梯度大于Ⅰ和Ⅲ，主要原因是間歇期間的高濕度階段時間只有1 h，因此不能有效減緩表層水分的蒸發(fā)，導致表心層含水率差異變大。干燥中后期，間歇式干燥基準的含水率梯度差別不明顯。

2.3 干燥過程干燥應力對比

連續(xù)及間歇式干燥工藝過程木材含水率與殘余應力指標關系如圖7所示。由圖7可以看出，連續(xù)式干燥過程其干燥應力幾乎都大于間歇式(含水率30%點除外)，表明間歇式干燥的高濕度階段能夠緩解干燥應力，避免干燥過程各階段由于干燥應力過大而產(chǎn)生的表裂和內(nèi)裂等問題，能夠有效地提高木材的干燥質(zhì)量。此外，間歇式干燥工藝中，工藝Ⅱ的干燥應力在各含水率階段最小。

圖7 連續(xù)及間歇干燥過程中應力變化

2.4 干燥過程木材干縮對比

連續(xù)及間歇式干燥條件下木材干縮率和含水率變化關系如圖8所示。連續(xù)式干燥工藝中木材干縮率最大，而間歇式干燥工藝中木材干縮率明顯下降。其中，間歇式干燥工藝Ⅱ的木材干縮率最小。桉木干燥過程，從初含水率開始隨含水率下降，4個干燥工藝中木材都產(chǎn)生了收縮。纖維飽和點以上的木材收縮定義為皺縮?？梢钥闯觯w維飽和點以上，間歇干燥工藝中木材的皺縮要小于連續(xù)干燥，其中干燥工藝Ⅱ的皺縮最小。表明間歇干燥能夠抑制木材細胞產(chǎn)生皺縮，進而減小木材的整體干縮。

3 結(jié)論

(1)含水率大于纖維飽和點時，連續(xù)式干燥工藝的干燥速度最快，其次是間歇工藝基準Ⅱ。纖維飽和點以下，整體上干燥速率差別不大。

(2)在連續(xù)式干燥基準下，桉木表心層含水率梯度大于間歇式干燥基準。間歇式干燥基準Ⅱ的表心層含水率梯度最大，其主要原因是間歇時間過短，不能有效抑制表面水分蒸發(fā)。

(3)連續(xù)式干燥基準的干燥應力普遍大于間歇式干燥基準，這與含水率分布及含水率梯度相關。間歇式干燥基準能緩解干燥應力，減少干燥過程的開裂。

(4)間歇式干燥基準下桉木的干縮普遍小于連續(xù)式干燥基準，其中間歇基準Ⅰ的干縮最小。間歇式干燥基準能夠有效抑制木材高含水率階段產(chǎn)生的皺縮，減小木材的干縮變形。

圖8 連續(xù)及間歇干燥過程中干縮變化