尾巨桉吸水及干燥過程基本物理特性變化研究

殷 勤， 劉洪海

(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)

木材的物理特性研究對(duì)家具設(shè)計(jì)與制造加工具有重要意義[1-3]。結(jié)合木材干燥技術(shù)[4-5]對(duì)木材進(jìn)行材性特征分析及改良[6-7]能夠減少加工缺陷的產(chǎn)生，提高木材的利用率和使用壽命。

桉木具有生長(zhǎng)速度快、木材產(chǎn)量高、力學(xué)性能良好、紋理美觀等優(yōu)勢(shì)，是潛在的家具生產(chǎn)用料[8]。但桉木的導(dǎo)管侵填物較多，滲透性差，加工過程中由于水分遷移和含水率分布變化，易受毛細(xì)管張力和干燥應(yīng)力影響發(fā)生皺縮變形，導(dǎo)致木材利用率降低[9-10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者們通過熱處理、冷凍干燥[11]、超聲波預(yù)處理[12]、后期調(diào)濕等技術(shù)可以有效抑制桉木皺縮。但是，為了提高桉木的附加值，廣泛的應(yīng)用到實(shí)木家具及其他制品中，制造企業(yè)還應(yīng)該在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模式、制造方式等[13-17]方面進(jìn)行創(chuàng)新。

含水率是干燥工藝中的重要指標(biāo)，木材含水率狀態(tài)和分布影響著木材質(zhì)量[18-19]。而木材密度、脹縮性是物理特性研究的關(guān)鍵參數(shù)[16-17]，含水率階段不同，密度和尺寸也不同。因此，本研究以尾巨桉為試材，對(duì)其進(jìn)行浸水、氣干、烘干實(shí)驗(yàn)處理，研究不同處理過程其含水率變化、物理特性及干縮特征。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

尾巨桉，速生林木材，產(chǎn)自廣西。樹木采伐后加工成方材，用塑料薄膜包裹后存入冰柜減少水分流失。木材初含水率為77.0%，氣干密度為549.1 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

鼓風(fēng)干燥箱(DHG-905386-Ⅲ上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)；數(shù)顯游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm，日本三豐)；電子天平(FA2004，精度0.001 g，上海精密儀器有限公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 木材密度測(cè)量

將尾巨桉方材鋸截成首尾連接的10塊試件，編號(hào)為1～10，規(guī)格均為20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)。測(cè)量試件初重以及徑、弦、長(zhǎng)度方向尺寸。將試件放入盛滿水的燒杯中，并用重物壓住保證試件全部浸入水下。定期取出試件，擦干表面殘留水分，并依次測(cè)量質(zhì)量及尺寸，直到增重率低于0.5%停止浸水。然后將10塊試件放置在溫度20 ℃、相對(duì)濕度約為55%的環(huán)境下進(jìn)行氣干，最后將試件放入鼓風(fēng)干燥箱(103±2 ℃)烘至絕干。氣干及烘干過后依次測(cè)量質(zhì)量和尺寸。參考GB /T 1933-2009測(cè)算尾巨桉的生材密度、基本密度、氣干密度、絕干密度。

1.3.2 木材含水率及吸水、干燥速率的測(cè)定

試驗(yàn)開始前，在同一根方材上鋸取3塊50 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)含水率試件A、B、C，用烘干法測(cè)算試條初含水率，估算得到試件1-10的理論初含水率，用于與真實(shí)初含水率作比較分析。試件1～10最后烘至絕干狀態(tài)，根據(jù)GB /T 1931-2009測(cè)得真實(shí)初含水率。

將試件1-10浸入燒杯中吸水，按照GB /T 1931-2009方法定期測(cè)量質(zhì)量得到各階段含水率，前期每隔4 h、8 h測(cè)量，后期試件質(zhì)量變化趨于穩(wěn)定，適當(dāng)延長(zhǎng)間隔時(shí)間。干燥過程包括氣干與烘干，與吸水過程一致，定期測(cè)量試件質(zhì)量推算含水率，直至質(zhì)量變化率小于0.5%。

將記錄的含水率數(shù)據(jù)繪制成含水率-時(shí)間曲線來表示試件吸水、干燥速率變化規(guī)律。

1.3.3 木材干縮測(cè)量

將濕材狀態(tài)的試件1～10作氣干處理，依照GB 1932-91，按式(1)、(2)計(jì)算各含水率階段干縮率。

βV=(V0-Vw)/V0×100%

(1)

式中：βV為試件干縮率，%；V0為試件原體積，mm3；Vw為含水率為w時(shí)試件體積，mm3。

βl=(l0-lw)/l0×100%

(2)

式中：βl為試件線性干縮率，%；l0為試件原尺寸，mm；lw為含水率為w時(shí)試件尺寸，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 尾巨桉基本物理特性

如表1，試件1～10的生材、絕干、氣干及基本的密度均值分別為788.0、520.3、549.1、447.5 kg/m3。生材階段由于鋸材表面附著不均勻分布的冰塊，此時(shí)測(cè)得的密度標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。試件1～10取自鋸材中間段，測(cè)得初含水率為77.0%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.3，說明含水率分布均勻。用試件A、B、C估算的理論初含水率為100.5%，高于真實(shí)值，原因是試件截取的位置更靠近含水率較高的端側(cè)。將試件放入烘箱，最后兩次重量變化為0.2%，得到絕干干縮率為14.41%。

表1 木材密度、初含水率及絕干干縮率

2.2 吸水及干燥過程尾巨桉含水率變化特性

試件1～10浸水和干燥過程的含水率-時(shí)間曲線如圖1所示。試件開始浸水后水分由外向內(nèi)滲流并轉(zhuǎn)換為內(nèi)部自由水，導(dǎo)致試件增重，含水率上升。浸水前期試件增重較快，增重率為9.1%，含水率上升36.2%，吸水速度快。浸水中期、后期吸水速度減緩，試件終含水率均值為151.7%，此時(shí)細(xì)胞腔內(nèi)水分接近飽和。烘至絕干過程木材質(zhì)量變化見表2。

圖1中干燥過程t0點(diǎn)(t0約為干燥第7天)前半段是將試件置于20 ℃、55%濕度的室內(nèi)氣干過程的干燥速率曲線，t0后半段是試件在103 ℃烘干過程的干燥速率曲線。干燥前2天木材失水率高，自由水在毛細(xì)管張力影響下向木材表面滲流，最終蒸發(fā)。試件氣干第3天，含水率降至FSP附近，吸著水受含水率梯度、水蒸氣壓力梯度影響向蒸發(fā)界面擴(kuò)散，因而含水率仍在下降。至第5天，干燥速率逐漸緩和。至第7天時(shí)木材吸收蒸發(fā)水分速度相對(duì)平衡，t0時(shí)終氣干含水率為10.5%。結(jié)合圖1的t0后半段和表2，可以看出烘干階段木材水分流失嚴(yán)重，絕干質(zhì)量均值為3.911 g。

圖1 木材吸水速率和干燥速率曲線

表2 烘至絕干過程木材質(zhì)量變化

2.3 干燥過程尾巨桉尺寸變化特性

試件1～10在大氣干燥條件下收縮率均值變化(體積收縮率)如圖2所示?？傮w來看，伴隨含水率下降，收縮率增加，試件的尺寸收縮變化愈加顯著。在干燥前期含水率較高，收縮率在0.26～2.09%。理論上含水率在纖維飽和點(diǎn)(FSP)以上時(shí)木材不發(fā)生收縮，由于尾巨桉具有易皺縮的特性，它仍會(huì)有小幅度的尺寸變化。干燥中期，細(xì)胞腔內(nèi)水分流失嚴(yán)重，含水率接近FSP，試件收縮量增大，收縮率在3.91～5.17%。干燥后期，從圖2中明顯看到木材收縮較快。結(jié)合圖1可以看出干燥至第5～6天時(shí)，此時(shí)含水率變化很小，達(dá)到氣干狀態(tài)，尺寸收縮率高達(dá)9.82%。在氣干后期，含水率由FSP降到10.5%，木材出現(xiàn)干縮現(xiàn)象。在宏觀上表現(xiàn)為尺寸減小，在微觀上細(xì)胞腔尺寸基本不變，吸著水?dāng)U散使得細(xì)胞壁非結(jié)晶區(qū)的纖絲間、微纖絲間縫隙變小，導(dǎo)致細(xì)胞壁尺寸減小。

圖2 氣干過程的體積收縮曲線

含水率在FSP以下干燥過程中尾巨桉的干縮情況如圖3、圖4所示。圖3中的干縮率包括體積干縮率和線干縮率。干縮曲線走勢(shì)基本一致，木材尺寸隨含水率減小而減小，其中體積干縮率最大且變化最大，橫紋、順紋方向線性干縮率依次變小。試件在含水率21.4%～36.4%時(shí)，收縮量微弱，氣干達(dá)到的最終氣干干縮率均值為10.38%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.2；103 ℃烘干后干縮率達(dá)到最大，全干干縮率均值為14.41%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1。在氣干及絕干過程中軸向線性干縮率范圍在0.19%～0.51%，變化遠(yuǎn)小于橫紋收縮，這主要是木材細(xì)胞微纖絲角造成的縱橫差異。微纖絲是纖維素長(zhǎng)鏈狀分子結(jié)構(gòu)，主軸方向由C-C、C-O鍵聯(lián)結(jié)，水分子無法進(jìn)入，橫向的游離羥基易與水分子形成氫鍵作用，水分排出導(dǎo)致木材的收縮變形。圖4為試件橫紋方向的線性干縮，可以清晰看到橫紋方向的收縮集中在弦向。試件經(jīng)過氣干后弦向干縮率為6.18%，是同時(shí)期徑向干縮的1.82倍；經(jīng)過103 ℃烘干后弦向干縮率為8.92%，是徑向干縮的1.85倍；含水率在其他階段時(shí)木材徑、弦向干縮率之比呈相似規(guī)律。這主要是由于木射線的分布特征抑制了木材的徑向收縮，同時(shí)徑壁的紋孔數(shù)較多，削減了徑向收縮效果。試件總體標(biāo)準(zhǔn)偏差均在0.8以下，說明試件收縮均勻。

圖4 FSP以下干燥過程干縮率

2.4 吸水及干燥過程尾巨桉密度變化特性

吸水、干燥過程尾巨桉密度變化曲線如圖5所示。吸水過程含水率始終高于FSP，尺寸基本不變；而木材是多孔性毛細(xì)管膠體，水分滲入并填充孔隙，導(dǎo)致木材持續(xù)增重直至水分飽和，因此圖5吸水部分的密度變化曲線呈先升后平穩(wěn)的趨勢(shì)。結(jié)合圖1，在干燥時(shí)期含水率未降至FSP的階段，木材水分散失嚴(yán)重，前期2天內(nèi)木材密度減小37.2%。含水率低于FSP時(shí)，木材尺寸收縮，密度變化較小。總體來說木材密度變化與含水率變化曲線吻合程度高。

圖5 木材吸水及干燥過程密度變化

3 結(jié)論

(1)尾巨桉試件基本密度為447.5 kg·m-3，氣干密度為549.1 kg·m-3。初含水率均值在77.0%，且分布均勻。因估算所用試條取自端部，估算值高于真實(shí)值。

(2)生材浸水至飽水過程，尾巨桉試件在浸水前期含水率上升速度快，最后的終含水率為151.7%；在20 ℃、55%濕度條件下放置至氣干過程，含水率持續(xù)下降，相對(duì)平衡時(shí)的終氣干含水率為10.5%；烘至絕干狀態(tài)水分蒸發(fā)完全，重量為3.933 g。

(3)尾巨桉易皺縮，因此含水率高于FSP時(shí)仍有少量體積收縮。含水率低于FSP時(shí)試件收縮明顯，軸向線性干縮率在0.51%以下；橫向線性干縮中弦向干縮占主導(dǎo)，且是徑向干縮的1.84倍。絕干時(shí)木材干縮率最大，達(dá)到14.41%。

(4)木材密度變化與含水率變化曲線高度吻合。