楊木鋸材間歇加熱常規(guī)干燥過程中的含水率和應(yīng)力變化1)

杜信元 遲祥 宋曉雪 王家城 艾沐野 蔡英春 程萬里

(木質(zhì)新型材料教育部工程研究中心(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

為解決木材常規(guī)干燥缺陷多、周期長(zhǎng)、能耗高的問題，眾多學(xué)者在木材干燥工藝的改進(jìn)方面做了大量卓有成效的研究工作，其中，間歇加熱干燥工藝對(duì)于提高鋸材的干燥質(zhì)量、降低干燥能耗具有顯著效果[1-2]。間歇加熱干燥過程的非加熱階段有利于木材內(nèi)部水分向木材表層移動(dòng)，促使木材內(nèi)外層含水率梯度與溫度梯度趨于一致，而表層在低溫高濕介質(zhì)作用下會(huì)發(fā)生吸濕，作用類似于中間調(diào)濕處理[3]，使得木材在厚度上的含水率梯度減小，有利于干燥應(yīng)力的釋放[4]。間歇加熱干燥可以使用高于連續(xù)干燥基準(zhǔn)的溫度，通過優(yōu)化干燥基準(zhǔn)來提高干燥速度、降低能耗，這對(duì)于常規(guī)干燥過程的節(jié)能降耗具有重要意義[5]。

近年來間歇加熱干燥工藝多被用于真空干燥、太陽能干燥以及濕度難以控制的除濕干燥或常規(guī)干燥，常用于干燥桉木、新西蘭紅櫸等易皺縮樹種厚鋸材[6-11]。但是目前大部分間歇加熱干燥研究?jī)H給出其初始狀態(tài)參數(shù)變化，研究間歇加熱干燥方法對(duì)干燥結(jié)果的影響，缺少對(duì)干燥過程中動(dòng)態(tài)變化分析，但實(shí)際整個(gè)干燥過程并不是1個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程，需要考慮不同時(shí)間各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的變化，因此對(duì)干燥過程中各質(zhì)量參數(shù)的持續(xù)變化觀測(cè)及分析十分必要。

為了研究間歇加熱干燥對(duì)干燥應(yīng)力的緩解作用及不同間歇率對(duì)干燥過程的影響，達(dá)到編制適用于太陽能/空氣能聯(lián)合干燥的間歇加熱干燥為基準(zhǔn)的目的，本研究以24 h為1個(gè)循環(huán)周期，結(jié)合聯(lián)合干燥設(shè)備的性能、工況，選取0、33%、66% 3種不同間歇率，在恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，分析間歇加熱干燥過程中的干燥速率、分層含水率、彈性應(yīng)變的動(dòng)態(tài)變化情況，以期為后期太陽能/空氣能聯(lián)合干燥工藝優(yōu)化提供參考[12-13]，達(dá)到提高干燥速率及質(zhì)量，降低干燥能耗的效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材為速生楊木，采伐于哈爾濱市依蘭縣，原木采用毛板下鋸法鋸解成2 000 mm×150 mm×25 mm的鋸材。每組試驗(yàn)選取3塊相近位置的鋸材，兩端各去150 mm加工成無腐朽、蟲蛀、色變等缺陷的相同尺寸試件9塊，尺寸為550 mm×150 mm×25 mm(L×B×S)，其中4塊分別用于檢測(cè)板材溫度、分層含水率、應(yīng)力應(yīng)變，5塊用做含水率檢驗(yàn)板，試件初含水率為130.8%～142.8%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為：恒溫恒濕箱(溫度范圍0～100 ℃，相對(duì)濕度35%～98%)；DHC-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；THD記錄儀(接受信號(hào)范圍4～20 mA，0～5 V)；YP15K-1電子天平(精度0.1 g)；LD210-2電子天平(精度0.01 g)；Pt100溫度傳感器。

1.3 試驗(yàn)方法

參照LY/T 1068—2012《鋸材室干工藝規(guī)程》闊葉樹鋸材干燥基準(zhǔn)表中16-3[14]，制定初步的楊木常規(guī)干燥基準(zhǔn)(表1)。試驗(yàn)以24 h為1個(gè)循環(huán)周期，直至終含水率達(dá)到7.0%后進(jìn)行終了及平衡處理，設(shè)定3個(gè)間歇率，依次為0、33%、66%，即第1組進(jìn)行連續(xù)加熱干燥，間歇率為0，作為對(duì)照組；第2組加熱干燥16 h，停止加熱8 h，間歇率為33%；第3組加熱干燥8 h，停止加熱16 h，間歇率為66%。所有試件進(jìn)行編號(hào)，以膠封端頭并稱質(zhì)量后，放于恒溫恒濕箱中進(jìn)行干燥，干濕球溫度用PT100測(cè)量，溫度變化用無紙記錄儀每分鐘記錄1次。在溫度試驗(yàn)板側(cè)邊寬面中心點(diǎn)打孔，深度為1/2板寬，放入PT100后用鋸沫將空隙填實(shí)壓緊并用耐高溫硅膠封住。

表1 25 mm楊木鋸材間歇加熱常規(guī)干燥基準(zhǔn)

含水率檢驗(yàn)板每隔4 h稱1次質(zhì)量，每天檢測(cè)2次分層含水率及應(yīng)力狀態(tài)，其中間歇率為0的干燥過程中，每間隔12 h鋸制1次；間歇率為33%、66%時(shí)，在干燥過程的加熱階段及非加熱階段結(jié)束時(shí)各鋸制1次，試驗(yàn)片的鋸制如圖1所示。采用分層切片法對(duì)分層含水率進(jìn)行測(cè)量，采用圖像解析法對(duì)干燥過程中的彈性應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定[15]。試件鋸解后端部重新密封，立即放入恒溫恒濕箱內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行干燥，直至干燥結(jié)束后取出試件并檢測(cè)試材的干燥質(zhì)量。

S為板材厚度；B為板材寬度；Tn為干燥第n個(gè)周期；MCi為初含水率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同間歇率的干燥曲線

圖2為楊木鋸材不同間歇加熱干燥方式的干燥曲線圖。包括含水率(MC)、干球溫度(Td)、板芯溫度(Tb)以及使用Simpsor[16]的公式計(jì)算的平衡含水率(EMC)。3組試驗(yàn)分別用時(shí)118、150、276 h，平均干燥速率為1.03、0.89、0.49%·h-1。其中，間歇率為33%、66%時(shí)，加熱干燥的實(shí)際干燥速率與理論速率之間的提高比率[17]依次為28.9%、44.12%，與連續(xù)加熱相比，干燥周期分別延長(zhǎng)32、158 h，加熱時(shí)間縮短12、16 h。

通過對(duì)楊木含水率變化曲線分析，楊木的整個(gè)干燥過程分為預(yù)熱、勻速、減速3個(gè)階段。在預(yù)熱階段，楊木處于高溫高濕環(huán)境，板材內(nèi)部溫度逐漸達(dá)到預(yù)定溫度，此階段鋸材表層水分蒸發(fā)較少，含水率在前8 h變化較小。隨后楊木進(jìn)入溫濕度相對(duì)較低的環(huán)境中，表層的水分快速向周圍空氣蒸發(fā)，當(dāng)表層含水率接近纖維飽和點(diǎn)時(shí)，干燥進(jìn)入短暫的勻速階段，含水率從130.2%降低到105.7%，此時(shí)木材內(nèi)部細(xì)胞的自由水在毛細(xì)管張力差作用下向表層移動(dòng)，干燥速率保持不變，約為3.06%·h-1，持續(xù)8 h左右。隨著水分蒸發(fā)面向木材內(nèi)部深入，水分由內(nèi)部向表面移動(dòng)的速率逐漸減小至低于蒸發(fā)面的蒸發(fā)速度，干燥進(jìn)入減速階段。根據(jù)圖2b、2c可以看出，在停止加熱期間，平衡含水率上升明顯，高于預(yù)設(shè)基準(zhǔn)，表明間歇加熱干燥可以用于對(duì)濕度控制不力的除濕干燥、太陽能干燥或常規(guī)干燥過程，且介質(zhì)平衡含水率及表層含水率的差值決定干燥速率[18]。停止加熱期的前4 h含水率下降較快，隨后逐漸趨于平緩。

圖2 25 mm楊木不同間歇率的干燥曲線

2.2 間歇加熱干燥過程中的分層含水率

為了分析間歇加熱干燥過程中木材內(nèi)部水分的遷移規(guī)律，對(duì)干燥過程中的板材進(jìn)行分層含水率檢測(cè)分析，鋸材分層含水率隨時(shí)間的變化曲線如圖3中各圖的上半部分所示，其中表層含水率為圖1分層含水率試片中1號(hào)和5號(hào)試驗(yàn)片含水率的算術(shù)平均值，中層含水率為2號(hào)和4號(hào)試驗(yàn)片含水率的算術(shù)平均值，含水率梯度為芯層與表層的差值。隨著干燥時(shí)間增加，表層含水率下降，速率減小，在連續(xù)干燥過程中，楊木鋸材的含水率梯度在含水率92.8%附近達(dá)到最大值。間歇加熱干燥過程中，隨著間歇率的增加，芯層含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，含水率下降速度明顯升高；纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，下降速率相對(duì)減小，這是因?yàn)樵诜羌訜犭A段存在熱濕傳導(dǎo)，板材芯層的自由水在內(nèi)高外低的溫度差與含水率梯度的雙重驅(qū)動(dòng)力作用下向表層移動(dòng)，時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)干燥越有利，芯層含水率與中層含水率趨于一致。由于水蒸發(fā)潛熱較高，在連續(xù)干燥排出木材芯層水分的過程會(huì)產(chǎn)生大量能耗，并且隨著干燥時(shí)間的增加，板材內(nèi)部含水率梯度也隨之增加，產(chǎn)生干燥應(yīng)力。由圖2b、2c中平衡含水率變化曲線可知，非加熱階段板材處于低溫高濕的介質(zhì)環(huán)境，表層產(chǎn)生吸濕現(xiàn)象，間歇加熱干燥過程中含水率梯度的峰值隨間歇率提高而減小，說明間歇加熱干燥過程中板材內(nèi)部含水率與連續(xù)干燥相比，下降更加一致，產(chǎn)生的干燥應(yīng)力更小。所以間歇加熱干燥降低了連續(xù)干燥中含水率梯度較大及能耗高的不利影響，產(chǎn)生了積極的效果。

圖3 試材分層含水率與彈性應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線

為分析非加熱階段水分在纖維飽和點(diǎn)以上的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，對(duì)干燥過程中應(yīng)力試片的切面進(jìn)行拍照和觀察。如圖4所示，T11、T12分別代表第1周期停止加熱前后的橫截面；T21、T22分別代表第2周期停止加熱前后的橫截面，其中1為心材，2為心邊材交界處的濕材帶，3為邊材；a、b、c、d 4處標(biāo)記為水分移動(dòng)觀察區(qū)，分別代表濕材帶與邊材區(qū)域、邊材區(qū)域、心材區(qū)域、濕材帶與心材區(qū)域。對(duì)比相同周期內(nèi)停止加熱前后的橫截面水分分布照片發(fā)現(xiàn)，楊木心材含水率比邊材高，但顏色最深處在心邊材交界處的濕材帶，所獲得的圖像信息與王喜明等[19]的解剖分析一致。在間歇加熱干燥的加熱階段，邊材干燥速率最快，心邊材交界處最慢，這是因?yàn)檫叢膶?dǎo)管中侵填體較少，且未完全發(fā)育成熟，導(dǎo)水性能良好，心材及心邊材交界處導(dǎo)管中侵填體較多，堵塞導(dǎo)管-木射線紋孔，導(dǎo)水效率降低[20]。非加熱階段后的橫截面照片中，未飽和木材細(xì)胞所占的區(qū)域面積明顯少于同周期非加熱階段前，且芯層的顏色逐漸變淺成條狀，說明在非加熱階段的含水率梯度差和溫度差的協(xié)同作用下，芯層和心邊材交界處的自由水通過管間紋孔及導(dǎo)管-木射線間的紋孔進(jìn)行側(cè)向流動(dòng)，填充了“濕線”外的未飽和邊材區(qū)域。

圖4 間歇率為33%干燥過程應(yīng)力切片含水率分布圖

2.3 間歇加熱干燥過程中的干燥速率

為證明非加熱階段對(duì)后續(xù)的加熱階段有促進(jìn)作用，對(duì)3組間歇加熱干燥過程中加熱階段的干燥速率進(jìn)行比較，變化曲線如圖5所示。以間歇率為0的干燥過程為參考，將間歇加熱干燥過程分為130.2%～105.7%、105.7%到纖維飽點(diǎn)、纖維飽和點(diǎn)以下3個(gè)干燥速率范圍，其中130.2%～105.7%為勻速干燥階段。結(jié)合分層含水率變化曲線(圖3)可知，此階段主要排出表層、中層的自由水，干燥速度最大。含水率低于105.7%時(shí)，隨著“濕線”的深入，干燥速度逐漸下降進(jìn)入減速階段，其中當(dāng)含水率低于70.7%時(shí)，表層開始正常干縮，干燥速度有所下降。從加熱階段整體來看，在相同含水率下，間歇率為33%、66%的加熱階段干燥速率高于連續(xù)干燥；含水率高于70.7%時(shí)，受預(yù)時(shí)間的影響，間歇加熱干燥在加熱初期干燥速率相對(duì)較低，但預(yù)熱產(chǎn)生的影響會(huì)隨含水率的降低而變小。間歇加熱干燥過程中加熱階段的預(yù)熱時(shí)間如表2所示，25 mm楊木鋸材在不同含水率階段預(yù)熱時(shí)間為62～75 min，表明含水率對(duì)木材預(yù)熱的時(shí)間影響不大，原因是含水率的降低會(huì)減少單位時(shí)間內(nèi)溫升所需要的熱量，同時(shí)木材的導(dǎo)熱性能也會(huì)下降，熱阻增加，兩者的相互作用基本抵銷[21]。間歇率為66%的干燥過程中，含水率在105.7%～70.7%時(shí)，加熱階段初期速率并未隨含水率的減少而下降，說明在停止加熱的16 h內(nèi)，木材內(nèi)部的水分得到充分移動(dòng)。

圖5 25 mm楊木間歇加熱干燥加熱階段干燥速率變化曲線

表2 間歇加熱干燥加熱階段板材升溫時(shí)間統(tǒng)計(jì)

由圖2b、2c干燥變化曲線可知，非加熱階段的干燥速率在初期較快。為了分析非加熱階段對(duì)整體干燥周期的影響，將非加熱階段的初期干燥速率與相近加熱階段進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，間歇加熱干燥過程中的非加熱階段與加熱階段的干燥速度占比隨著含水率的降低而增加，其中含水率在100.0%～60.0%時(shí)，間歇率33%的干燥速度占比高于間歇率為66%時(shí)，含水率在60.0%到纖維飽和點(diǎn)時(shí)則相反。由分層含水率變化曲線可知，連續(xù)干燥過程中含水率為92.8%附近含水率梯度最大，且芯層含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，間歇加熱干燥下降速率明顯高于連續(xù)干燥，纖維飽和點(diǎn)以下則相反，所以含水率為92.8%～30.0%階段為最佳間歇加熱干燥處理階段。

圖6 間歇初期對(duì)加熱階段干燥速率占比變化曲線

2.4 間歇加熱干燥過程中的彈性應(yīng)變

彈性應(yīng)變是在內(nèi)應(yīng)力作用下瞬時(shí)產(chǎn)生的，由此可推測(cè)干燥應(yīng)力的發(fā)展與變化。采用圖像分析軟件ImageJ對(duì)楊木鋸材的應(yīng)力試片進(jìn)行點(diǎn)距測(cè)量，測(cè)量過程如圖7所示。干燥過程中鋸材的彈性應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線如圖3中各圖的下半部分所示。由圖3a可知，楊木在高含水率的干燥初期，就產(chǎn)生彈性應(yīng)變，表現(xiàn)為外拉內(nèi)壓，結(jié)果與王喜明等[22]關(guān)于楊木在干燥初期就產(chǎn)生皺縮的觀點(diǎn)相吻合。結(jié)合圖5干燥速率變化曲線可知，干燥初期板材干燥速率較高，自由水移動(dòng)太快，所產(chǎn)生的水分蒸發(fā)張力使薄壁細(xì)胞潰陷而造成不規(guī)則收縮[23]。從圖3b、3c可以看到，非加熱階段板材表層拉應(yīng)變極值對(duì)應(yīng)的含水率隨間歇率的提高而降低，在此階段表層彈性應(yīng)變隨著含水率的降低，拉應(yīng)變逐漸增加，而中層壓應(yīng)變減少，芯層壓應(yīng)變?cè)黾樱沧C明此階段主要是表層及中層水分蒸發(fā)。在含水率達(dá)到92.8%左右時(shí)，芯層壓應(yīng)變達(dá)到最大值，此時(shí)含水率梯度達(dá)到最大值。在含水率為92.8%～70.7%階段，芯層隨著水分的逐漸排出，所受壓應(yīng)變減小，在含水率為70.7%時(shí)，達(dá)到拉應(yīng)變極值，此時(shí)最容易產(chǎn)生內(nèi)裂。在含水率低于70.7%時(shí)，表層拉應(yīng)力會(huì)再次增加，這是由于表層處于纖維飽和點(diǎn)以下，木材發(fā)生正常干縮造成的。在纖維飽和點(diǎn)附近發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)為外壓內(nèi)拉，并且隨著間歇率的增加，內(nèi)拉應(yīng)力極值越小，產(chǎn)生內(nèi)裂的風(fēng)險(xiǎn)也越小。

圖7 間歇率66%應(yīng)力試片劃線及點(diǎn)距測(cè)試界面圖

在連續(xù)干燥過程中，含水率達(dá)到70.7%左右時(shí)，隨著芯層含水率的排出，由皺縮引起的表層彈性應(yīng)力降到最低點(diǎn)，且芯層隨著水分的逐漸排出，拉應(yīng)變達(dá)到極值，此時(shí)最容易產(chǎn)生內(nèi)裂。在間歇加熱干燥過程中可以看到，由于芯層水分在停止加熱期間就向外移動(dòng)，在間歇率為33%時(shí)，木材內(nèi)部拉應(yīng)力極值轉(zhuǎn)移到中層，且極值較??；在間歇率為66%時(shí)，干燥過程中并未出現(xiàn)內(nèi)部拉應(yīng)力，說明隨著間歇率的增加，芯層拉應(yīng)力極值逐漸變小，可阻止由皺縮引起的內(nèi)裂發(fā)生。間歇加熱干燥過程中彈性應(yīng)變隨含水率變化曲線可知，在非加熱階段，彈性應(yīng)變具有下降的趨勢(shì)，這是由于液體張力降低后彈性應(yīng)變滯后，使塌陷的細(xì)胞恢復(fù)[7]。結(jié)合圖3分層含水率變化曲線可以看出，在停止加熱期間含水率均勻下降，對(duì)干燥應(yīng)力的發(fā)展具有一定緩解效果[24]且間歇率越高效果越明顯。

2.5 干燥質(zhì)量檢測(cè)及基準(zhǔn)編制

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6491—2012《鋸材干燥質(zhì)量》的規(guī)定，對(duì)采用間歇加熱干燥后的3組試材在終含水率、干燥均勻度、含水率偏差及殘余應(yīng)力指標(biāo)方面進(jìn)行檢測(cè)，具體干燥質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)情況見表3。

表3 間歇加熱干燥終含水率、分層含水率偏差及殘余應(yīng)力指標(biāo)

由于3組干燥試驗(yàn)均采用較軟的干燥基準(zhǔn)，楊木板材均未見開裂。3組楊木鋸材均達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并且間歇率為33%、66%時(shí)，干燥質(zhì)量在厚度上的含水率偏差及殘余應(yīng)力上遠(yuǎn)低于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在停止加熱期間，試材芯層的水分在溫度梯度、含水率梯度的雙重驅(qū)動(dòng)力作用下向中層移動(dòng)，表層在低溫高濕的介質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行吸濕，使得試材厚度方向上含水率偏差的變化曲線更平緩，峰值更低，達(dá)到了各層含水率均勻下降的效果，對(duì)楊木鋸材干燥應(yīng)力的發(fā)展有一定的緩解作用。綜合考慮，在優(yōu)化間歇加熱干燥基準(zhǔn)時(shí)，在纖維飽和點(diǎn)以下進(jìn)行連續(xù)干燥，選擇在含水率為60.0%～30.0%階段進(jìn)行間歇率66%干燥，在含水率為92.8%～60.0%階段進(jìn)行間歇率33%干燥。為保證木材充分熱透，需要在加熱階段開始前增加1.5 h的預(yù)熱時(shí)間。對(duì)于間歇加熱干燥，干燥溫度對(duì)總收縮及塌陷的影響不大[10]，在干燥應(yīng)力允許的情況下，可以適當(dāng)提高加熱階段溫度，產(chǎn)生較大的含水率梯度用于非加熱階段，使芯層含水率獲得較大的流動(dòng)性和驅(qū)動(dòng)力，增加非加熱階段作用的同時(shí)提高干燥速率。

3 結(jié)論與討論

間歇加熱干燥方式在停止加熱期間通過含水率梯度及溫度差同向促進(jìn)心邊交界材及心材的水分向流動(dòng)性好的邊材移動(dòng)，纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，芯層的含水率下降速度隨間歇率的提高而增加，纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)相反。

間歇加熱干燥在停止加熱期間，較難干燥的心邊交界材及心材水分含量的減少，使后續(xù)加熱階段以較相對(duì)短的時(shí)間達(dá)到含水率梯度極值，對(duì)后續(xù)的加熱階段干燥有促進(jìn)作用。表層試材在低溫高濕的介質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行吸濕，使得試材厚度方向上含水率偏差的變化曲線更平緩，峰值更低，達(dá)到了各層含水率均勻下降的效果，對(duì)楊木干燥應(yīng)力的發(fā)展有一定的緩解作用。

從彈性應(yīng)變及干燥質(zhì)量等方面編制了間歇加熱干燥基準(zhǔn)，當(dāng)含水率為92.8%～60.0%，選取間歇率為33%干燥處理；當(dāng)含水率為60.0%～30.0%，選取間歇率為66%干燥處理；含水率30.0%以下，選取間歇率為0干燥處理的干燥效果最好。此外，為保證木材充分熱透，需要在加熱階段開始前增加1.5 h的預(yù)熱時(shí)間，且在應(yīng)力允許的范圍適當(dāng)提高加熱階段的溫度，在木材內(nèi)部產(chǎn)生較大含水率梯度和較高的流動(dòng)性，增加停止加熱期間的驅(qū)動(dòng)力。

本研究在間歇干燥基準(zhǔn)的編制中未考慮能耗的影響，若應(yīng)用在高頻干燥、太陽能干燥等方面，需根據(jù)本研究方法再結(jié)合實(shí)際的工況、能耗等進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。