大徑級火力楠木材干燥特性和干燥工藝研究

周 凡，高 鑫，付宗營，高玉發(fā)，周永東

(中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091)

火力楠(Micheliamacclurei)又名醉香含笑，為木蘭科(Magnoliaceae)常綠喬木，是我國南方地區(qū)重要的優(yōu)良鄉(xiāng)土闊葉珍貴用材和多功能高效益樹種，具有生長迅速、適應(yīng)性較強、病蟲害較少、干形通直、出材率高和木材質(zhì)優(yōu)等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于家具、工藝品、膠合板和建筑等行業(yè)[1-5]。

國內(nèi)對火力楠的研究始于20世紀80年代，主要集中在生長培育、生物學(xué)特性、施肥、繁育和混交造林等方面[2-8]。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[9]。對木材進行科學(xué)合理的干燥有利于其增值利用。合理確定和選擇木材的干燥基準是木材干燥生產(chǎn)中質(zhì)量和產(chǎn)量的保證[10]。百度試驗法常用于不同類型材種干燥特性的研究以及新材種干燥基準的快速制定[10-14]。目前國內(nèi)針對火力楠木材干燥方面的研究，符韻林等[15]采用百度試驗法分析了火力楠木材的干燥特性，研究所用的木材徑級較小(胸徑14～24 cm)?；鹆﹂浅＿m宜培育大徑材，為高檔家具和建筑等用材[4,7]。因此，本研究針對我國種植的大徑級火力楠，首先利用百度試驗法研究其木材基礎(chǔ)干燥特性，然后采用實驗室木材干燥設(shè)備探索分別適合25 mm和40 mm厚火力楠鋸材的常規(guī)干燥工藝基準，以期為火力楠木材的實際開發(fā)和利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

火力楠采自廣東省茂名市高州市石板鎮(zhèn)，平均胸徑35 cm。百度試驗用試樣，選擇無缺陷的弦切板生材，取材于板材中間，兩端是新鋸開截面，四面刨光，尺寸為200 mm×100 mm×20 mm(L×T×R)，試件數(shù)量6塊，初含水率為95.7%±7.3%。干燥工藝試驗用鋸材，采用生材直接加工成尺寸為900 mm×120 mm×25 mm(L×W×H)和900 mm×120 mm×40 mm(L×W×H)的板材，初含水率為78.4%±13.1%。

1.2 試驗方法

1.2.1 百度試驗法 百度試驗參照文獻[16]進行。試件加工后立即標明測點位置，測量尺寸和質(zhì)量，分別精確至0.01 mm和0.01 g。將試件沿紋理方向水平豎立于鼓風(fēng)干燥箱中在100℃±2℃下干燥。干燥過程中，定時測量試件質(zhì)量并記錄其初期開裂(包括端裂、端表裂、表裂、貫通裂)情況。干燥初期每隔1～2 h觀測1次直到裂紋發(fā)展到最大；當裂紋開始愈合時，觀測間隔延長至4～8 h或更長。待2次間隔測得試件質(zhì)量基本相同，認為試件達到絕干，停止干燥。待試件冷卻后，將其平放在平板并使其三角著板，量其另一角偏離平板的高度作為扭曲變形值。根據(jù)試件各測點干燥前后的尺寸變化，計算干縮特性。將試樣在其中心位置沿長度方向截取15 mm試片，用烘干法測定試片含水率作為試件的最終含水率，結(jié)合試件終重計算其絕干重，從而推算干燥過程中試件的含水率變化。同時在新截斷面，檢查試件的內(nèi)裂情況，并測量側(cè)邊厚度與鄰邊下凹處厚度差為截面變形值。

1.2.2 干燥工藝試驗 干燥工藝試驗采用HD 74/TA II型木材干燥試驗機，由電熱鍋爐生產(chǎn)0.6 MPa蒸汽，通過翅片管式加熱器加熱，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。該加熱、加濕方式與企業(yè)生產(chǎn)常用的常規(guī)干燥設(shè)備一致；通風(fēng)方式與頂風(fēng)機型干燥設(shè)備一致。干燥試驗每次裝材42塊，材堆尺寸900 mm×800 mm×800 mm(L×W×H)，材堆頂部放置不銹鋼壓重，試驗風(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，通過干燥機系統(tǒng)自動控制窯內(nèi)的干濕球溫度，當木材含水率達到當前干燥階段含水率終點時，控制進入下一干燥階段。參照LY/T 1068-2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》，選擇6塊檢驗板，定時取出稱質(zhì)量，推算干燥過程中木材的含水率變化。干燥結(jié)束，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塊檢驗板和從材堆中隨機抽取的6塊鋸材檢測最終含水率、分層含水率和干燥殘余應(yīng)力指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材干燥特性

對火力楠木材百度試驗的干燥缺陷情況和干燥時間進行統(tǒng)計，并依據(jù)百度試驗法的分級標準[16]，評定試件的干燥特性等級(表1)。

表1 火力楠木材百度試驗干燥特性及等級Table 1 Grades of drying defects and drying time in 100℃ test of M.macclurei wood

2.1.1 初期開裂 火力楠木材的初含水率較高，所有試件在干燥1 h左右出現(xiàn)細微端面裂紋，在2 h左右出現(xiàn)端表裂。隨著干燥繼續(xù)，裂紋的數(shù)量和尺寸發(fā)展，初期開裂在干燥4 h左右集中出現(xiàn)，此時試件的含水率53.1%；在干燥8～10 h達到最大，此時試件含水率為26.8%～33.1%。之后隨著含水率的繼續(xù)降低，木材內(nèi)部開始收縮，初期開裂逐漸閉合[17]，在干燥60 h左右，所有裂紋基本愈合。整個干燥過程，試件僅出現(xiàn)端裂和端表裂，且所有裂紋最大寬度<2 mm，最大長度<5 cm。按照百度試驗的分級標準，火力楠木材初期開裂等級為2級。干燥過程可通過適當減小干燥初期溫度及干濕球溫度差來控制木材開裂，保證干燥質(zhì)量。

2.1.2 內(nèi)部開裂 內(nèi)裂是一種較嚴重的干燥缺陷?？赡苁窃嚰稍镞^程木材內(nèi)水分排除均勻，木材內(nèi)部均勻收縮，因此所有試件均未出現(xiàn)內(nèi)部開裂情況，內(nèi)裂等級均為1級。

2.1.3 截面變形 試件截面變形值為0.23～0.38 mm，變形等級均為1級。截面變形主要是干燥過程中木材表層與內(nèi)層水分存在差異及表層硬化引起[18]?？赡苁腔鹆﹂馁|(zhì)細膩均勻[2]，木材表層及內(nèi)層收縮差異不大，因此截面變形程度較輕。

2.1.4 扭曲變形 火力楠試件的扭曲變形值為0.1～0.8 mm，變形等級為1～2級，其中1級占66.7%，2級占33.3%；綜合考慮為2級。干燥過程扭曲變形是板材紋理不通直等導(dǎo)致板材各部位的干縮差異引起[19]。干燥過程可通過終了處理或在材堆頂部進行壓重物以機械抑制的方法來減小扭曲變形[20]。

2.1.5 干縮特性 百度試驗法測定的木材干縮特性(以干縮時含水率30%計算)見表2。木材徑向、弦向和體積干縮率分別為3.62%、4.53%和8.50%，弦向和徑向差異干縮為1.25。木材徑向、弦向和體積干縮系數(shù)分別為0.121%、0.151%和0.283%。木材含水率15%時密度為0.679 g·cm-3。根據(jù)材性分級標準[21]，火力楠木材的差異干縮等級屬“很小”(<1.4)，體積干縮系數(shù)也屬“很小”(<0.35)，密度屬中等(0.551～0.750 g·cm-3)。干縮特性反映木材的開裂和變形情況，因此火力楠木材在干燥時產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢相對較小。

表2 百度試驗測定火力楠木材干縮特性Table 2 The shrinkage characteristics of M.macclurei wood in 100℃ test

2.1.6 干燥速度 百度試驗過程試件含水率變化見圖1。試件從平均初含水率95.7%干至30.0%，平均用時9.0 h，干燥速率7.3%·h-1；從30%干至5%用時16.3 h，干燥速率1.5%·h-1；從5%干至1%用時49.3 h，干燥速率0.1%·h-1。干燥前期主要是木材中的自由水在毛細管張力作用下，由內(nèi)部移動至表層蒸發(fā)；干燥中后期木材中吸著水蒸發(fā)，水蒸發(fā)阻力增大，導(dǎo)致干燥速率降低。試件干燥用時等級為2～3級，其中，3級占66.7%，2級占33.3%；綜合考慮為3級，速度中等。干燥速度表征木材干燥的難易程度，反映木材內(nèi)部水分向外流動的快慢，與木材的材質(zhì)與構(gòu)造有關(guān)[22]。

圖1 百度試驗干燥過程火力楠木材含水率變化Fig.1 Drying curve of M.macclurei wood in 100℃ test process

2.2 擬定木材干燥基本條件

參照百度試驗干燥缺陷等級對應(yīng)干燥條件[16,19]，獲得火力楠木材的干燥初終期溫度條件(表3)。從所列條件中選出最低值為干燥的基本條件，即初期溫度70℃，初期干濕球溫差4℃～6℃，末期溫度95℃。

表3 百度試驗測定火力楠木材干燥條件Table 3 Drying conditions corresponding to defects grades of M.macclurei wood in 100℃ test

木材密度直接關(guān)系木材的力學(xué)強度、加工性能和產(chǎn)品質(zhì)量。因此參考闊葉材密度與干燥條件的對應(yīng)關(guān)系[23]，獲得火力楠適合的干燥基準編號為6-4-3或T6-D3：(溫度編號=13.7-13.6×0.567=5.99≈6；含水率編號=4.51-1.56×0.567=3.63≈4；干濕球溫差編號=5.20-3.95×0.567=2.96≈3)。具體對應(yīng)干燥初期溫度49℃，初期干濕球溫差3℃，末期溫度71℃。

綜上，確定火力楠常規(guī)干燥基準的基本條件為：初期溫度60℃，初期干濕球溫差4℃，末期溫度80℃。

2.3 鋸材干燥工藝試驗

2.3.1 干燥基準制定 根據(jù)火力楠木材干燥的基本條件，參照國家林業(yè)行業(yè)標準LY/T 1068-2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》中闊葉材干燥基準的一般編制原則，制定25～30 mm厚火力楠鋸材干燥基準(表4)。一般成材干燥多為家具用材[24]，故而制定25～30 mm厚木材干燥基準。在含水率>50%時，干燥初期干濕球溫差4℃。提高溫度降低濕度才能有效蒸發(fā)結(jié)合水，提高干燥效率[25]。干燥后期各階段間緩慢升溫，升溫幅度適當加大，以提高干燥效率。當含水率降至30%后，含水率每降低5%，干球溫度升高5℃，干濕球溫差增加1.3～1.6倍，整個干燥過程干濕球溫差最大22℃。為了保證每次干燥鋸材最終含水率的均勻性，在干燥末期實施最終處理[26]。末期平衡處理以及終了處理溫度設(shè)為85℃，高溫有利于鋸材中水分的移動以及殘余應(yīng)力的釋放。

表4 25～30 mm厚火力楠鋸材干燥基準Table 4 Drying schedule of 25-30 mm thick M.macclurei timber

依據(jù)25～30 mm厚鋸材干燥基準，制定40 mm厚火力楠鋸材干燥基準(表5)。降低初期干燥溫度為55℃，初期干濕球溫差為3℃，末期平衡處理以及終了處理的溫度為80℃。依照GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》中2級干燥材的要求，25～30 mm和40 mm 2種厚度類型鋸材的平衡處理條件的設(shè)定一致，即在檢驗板含水率最低值為8%時開始，至檢驗板含水率最高值為12%時結(jié)束。

表5 40 mm厚火力楠鋸材干燥基準Table 5 Drying schedule of 40 mm thick M.macclurei timber

2.3.2 鋸材干燥曲線 根據(jù)表4和表5干燥基準在木材干燥試驗機分別對25 mm和40 mm 2種厚度火力楠鋸材進行干燥試驗。2種厚度鋸材的干燥過程曲線見圖2、圖3。25 mm厚鋸材由平均初含水率87.9%干至終含水率9.1%，耗時169.0 h(7.0 d)，平均干燥速率0.47%·h-1。40 mm厚鋸材由含水率87.5%干至8.5%，共耗時341.0 h(14.2 d)，平均干燥速率0.23%·h-1。整個過程中各干燥階段木材含水率的變化速率穩(wěn)定，表明干燥過程中工藝基準的溫度條件設(shè)定合理。

圖2 25 mm厚火力楠鋸材干燥過程曲線Fig.2 Drying curve of 25 mm thick M.macclurei timber

圖3 40 mm厚火力楠鋸材干燥過程曲線Fig.3 Drying curve of 40 mm thick M.macclurei timber

2.3.3 鋸材干燥質(zhì)量 由表6可以看出，采用制定的干燥基準進行25 mm和40 mm 2種厚度干燥鋸材的平均最終含水率分別為9.33%和8.04%，均滿足鋸材干燥質(zhì)量的2級要求(8.0%～12.0%)。2種厚度鋸材的干燥均勻度、厚度上含水率偏差、殘余應(yīng)力的指標均可滿足1級指標。2種厚度鋸材的順彎、橫彎、翹彎、扭曲可見干燥缺陷均滿足1級指標。所有試件均未出現(xiàn)內(nèi)裂和皺縮情況。本研究制定的火力楠鋸材的干燥基準合理，根據(jù)制定的干燥基準對25 mm和40 mm 2種厚度火力楠鋸材進行干燥，綜合可獲得滿足2級干燥質(zhì)量指標的干燥鋸材。適用于家具、建筑門窗、實木地板、細工木板、室內(nèi)裝飾、文體用品等的生產(chǎn)。

表6 25 mm和40 mm厚火力楠鋸材干燥質(zhì)量Table 6 Drying qualities of 25 mm and 40 mm thick M.macclurei timber

3 結(jié)論與討論

百度試驗結(jié)果表明，火力楠木材的干燥缺陷主要為初期開裂和扭曲變形，干燥特性等級均為2級；截面變形及內(nèi)裂程度較輕，特性等級均為1級；干燥速度中等，特性等級為3級?；鹆﹂静牡拿芏戎械龋町惛煽s和體積干縮系數(shù)很小，在干燥過程產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢較小。

對25、40 mm 2種厚度火力楠鋸材進行干燥工藝干燥。25 mm厚鋸材采用干燥初期溫度60℃、初期干濕球溫度差4℃和末期溫度80℃的條件進行干燥，由初含水率87.9%干至終含水率9.1%共耗時169.0 h。40 mm厚鋸材采用干燥初期溫度55℃、初期干濕球溫度差3℃和末期溫度75℃的條件進行干燥，由87.5%干至8.5%共耗時341.0 h。2種厚度干燥鋸材的平均最終含水率達到國家標準中鋸材干燥質(zhì)量的二級指標；干燥均勻度、厚度上含水率偏差、殘余應(yīng)力和可見干燥缺陷均達到一級指標。

對火力楠木材的干燥特性和干燥工藝進行的研究，符韻林等[15]與本研究內(nèi)容類似，和其百度試驗結(jié)果相比，本研究火力楠木材的初期開裂和扭曲變形等級降低1級，但干燥速率等級增加1級。主要考慮木材材質(zhì)差異對干燥結(jié)果的影響。與成熟材相比，小徑材幼齡材比例大，材質(zhì)差，木材生長應(yīng)力大，干燥過程容易發(fā)生開裂和變形；但密度小，干縮率小，干燥過程中水分向外移動快，干燥速率大[27,28]。火力楠非常適宜培育大徑材[4,7]，本研究所選試材徑級更大，因此木材的干燥缺陷減弱，但干燥速率變慢。

在人工干燥木材過程中，干燥介質(zhì)溫度和濕度的調(diào)節(jié)，對木材的干燥時間和干燥質(zhì)量有決定性意義[29]。因此，本研究通過干燥工藝試驗制定的25 mm和40 mm 2種厚度火力楠鋸材的干燥工藝基準可為實際企業(yè)進行火力楠木材的窯干生產(chǎn)提供科學(xué)參考，但實際干燥生產(chǎn)過程中還需結(jié)合具體采用的干燥設(shè)備及裝材量大小等對干燥工藝進行調(diào)整，以保證干燥質(zhì)量，提高干燥質(zhì)量及效率。