試件選用數(shù)量對(duì)桉木含水率、密度以及干縮率測(cè)量的影響

劉云霞， 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)

木材干燥是保障和改善木材品質(zhì)、減少木材損失，提高利用率的重要環(huán)節(jié)，木材干燥的方法有很多，如常規(guī)干燥[1-3]、高溫干燥[4-6]、真空干燥、冷凍干燥[7-11]等等，現(xiàn)如今，我國(guó)干燥技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善，干燥行業(yè)已經(jīng)形成了一個(gè)完整的干燥體系[12-13]。

這些新興干燥技術(shù)的試驗(yàn)操作過(guò)程中諸多因素都會(huì)影響到試驗(yàn)結(jié)果。含水率、密度以及干縮率都是衡量木材干燥質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接影響到木材作為工藝品或家具材料的主要性能[14-18]。

桉木人工林在全世界范圍內(nèi)廣泛種植，蓄積量大，是重要的人工林樹(shù)種，具有很大的開(kāi)發(fā)潛力[19-20]。本研究采用尾巨桉為試材，對(duì)其進(jìn)行吸水、氣干實(shí)驗(yàn)，研究從生材到飽水過(guò)程以及氣干過(guò)程中，試件的數(shù)量對(duì)于桉木含水率、密度和干縮率的影響，為探究桉木干燥工藝參數(shù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)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。將桉木從端部開(kāi)始鋸截成首位連接的10塊試件，規(guī)格為20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)。試件截鋸圖如圖1所示。

圖1 試件截鋸圖

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)；電子天平(FA2004，精度0.001 g，上海精密儀器有限公司)；數(shù)顯g7-游標(biāo)卡尺(日本三豐，精度0.01mm)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 含水率測(cè)量

試驗(yàn)之前，先截取同一根木材中部，規(guī)格為50 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的三個(gè)試件為初含水率試片，參照GB/T 1931-2009，用烘干法測(cè)量試件的初含水率。稱(chēng)量初重m0后，放入鼓風(fēng)干燥箱烘至絕干，稱(chēng)量其絕干重mg，由公式(1)計(jì)算其平均初含水率。計(jì)算得出試件的平均初含水率為100.5%。由公式(2)分別計(jì)算每塊試件的理論絕干重量mg理。

MC0=m0-mg/mg×100%

(1)

mg理=m/(MC0+1)

(2)

式中：MC0為試件初含水率，%；m0為濕材重量，g；mg為絕干重量，g；mg理為理論絕干重量，g；m為初重，g。

將試件放入純凈水中，使其完全浸透，每隔一段時(shí)間測(cè)其重量m吸、縱向(L)、弦向(T)、徑向(R)的尺寸，直至完全飽水狀態(tài)重量不再增加。

將飽水狀態(tài)的試件放至空氣中進(jìn)行氣干處理，實(shí)驗(yàn)室的溫濕度為：溫度20 ℃，濕度55%，每隔一段時(shí)間測(cè)量其重量為m氣，直至平衡狀態(tài)重量不再增加。

當(dāng)試件氣干達(dá)到平衡狀態(tài)后，將其放入鼓風(fēng)干燥箱干燥至絕干，測(cè)量其實(shí)際絕干重mg實(shí)。

由公式(3)計(jì)算其吸水以及氣干過(guò)程的含水率，并進(jìn)行整理。

MC=(m-mg實(shí))/m0理×100%

(3)

式中：MC為吸水以及氣干過(guò)程含水率，%；m為吸水以及氣干過(guò)程重量，g；mg實(shí)為實(shí)際絕干重，g。

1.3.2 桉木密度測(cè)量

當(dāng)試件達(dá)到飽水狀態(tài)重量不再增加的時(shí)候，測(cè)量此時(shí)的重量ms以及體積Vs，由公式(4)計(jì)算試件飽水密度。

ρs=ms/vs

(4)

式中：ρs為飽水密度，g/cm3；Ms為飽水質(zhì)量，g；Vs為飽水體積，cm3。

試件截取后，測(cè)量此時(shí)的重量mg以及體積Vg，由公式(5)計(jì)算試件飽水密度。

ρg=mg/vg

(5)

式中：ρg為生材密度，g/cm3；mg為生材質(zhì)量，g；vg為生材體積，cm3。

當(dāng)氣干試件含水率達(dá)到平衡含水率后，測(cè)量此時(shí)的重量mM以及體積VM，由公式(6)計(jì)算試件飽水密度。

ρM=mM/vM

(6)

式中：ρM為氣干密度，g/cm3；mM為氣干質(zhì)量，g；vM為氣干體積，cm3。

當(dāng)氣干試件含水率達(dá)到平衡含水率后，放入鼓風(fēng)干燥箱烘至絕干，測(cè)量此時(shí)的重量m0以及體積V0，由公式(7)計(jì)算試件絕干密度。

ρ0=m0/v0

(7)

式中：ρ0為絕干密度，g/cm3；m0為絕干質(zhì)量，g；V0為絕干體積，cm3。

由公式(8)計(jì)算試件基本密度。

ρb=m0/vg

(8)

式中：ρb為基本密度，g/cm3。

1.3.3 桉木干縮率測(cè)量

當(dāng)氣干到平衡含水率后，測(cè)量此時(shí)的L、R、T，由公式(9)計(jì)算其氣干縱弦徑向干縮率。

yM=(L1-Lm)/L1×100%

(9)

式中：yM為氣干干縮率，%；L1濕材尺寸，mm；Lm為氣干材尺寸，mm。

將試件烘至絕干后，測(cè)量此時(shí)的絕干尺寸L、R、T，由公式(10)計(jì)算其絕干縱弦徑向干縮率。

yM=(L1-L0)/L1×100%

(10)

式中：yM為絕干干縮率，%；L0為絕干材尺寸，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 試件選用數(shù)量對(duì)桉木含水率測(cè)量的影響

將測(cè)得的吸水階段含水率變化以及氣干階段含水率變化進(jìn)行整理，分別取試件數(shù)量3、5、7、9進(jìn)行分析，為保證分析結(jié)果不受事件本身初含水率不均的影響，第一組選取編號(hào)為2、6、10的3個(gè)試件，第二組選用編號(hào)為2、4、6、8、10的5個(gè)試件，第三組選用編號(hào)為1、2、3、5、6、7、9、10的9個(gè)試件。不同時(shí)間不同試件數(shù)量的含水率變化圖如圖2、圖3所示，以及在不同試件選用數(shù)量條件下，所測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差值的變化如圖4、圖5所示。

圖2 吸水階段含水率變化

圖3 氣干階段含水率變化

圖4 吸水階段含水率誤差值變化

圖5 氣干階段含水率誤差值變化

由圖2、圖4可以看出，在吸水階段，試件選用數(shù)量不同時(shí)，測(cè)得的平均含水率總體變化不大，但誤差值有一定的變化。隨著吸水階段的進(jìn)行，含水率增加的同時(shí)，每組誤差都有很大程度的降低。同時(shí)，在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，含水率誤差值隨著試件數(shù)目的增加有明顯降低的趨勢(shì)，隨著含水率趨于穩(wěn)定，試件數(shù)目對(duì)于誤差值的影響幾乎沒(méi)有。

圖3、圖5是氣干階段含水率極其誤差值隨試件選用數(shù)量的不同而變化的圖。可以看出在氣干階段同吸水階段一樣，不同數(shù)量試件所測(cè)得的平均含水率差別并不明顯，誤差值在氣干開(kāi)始階段隨時(shí)間數(shù)目變化較為明顯，隨著試件達(dá)到FSP，含水率誤差值都接近于0。

2.2 試件選用數(shù)量對(duì)桉木密度測(cè)量的影響

不同試件數(shù)量條件下的幾種密度變化如圖6所示?？梢悦黠@看出不同密度的平均值隨試件數(shù)量的變化很小，相對(duì)于飽水密度、氣干密度、絕干密度和基本密度而言，生材密度明顯在誤差值上有相對(duì)明顯的變化。生材密度誤差值隨試件數(shù)量的變化如圖7所示，可以看出隨著試件數(shù)量的增長(zhǎng)，密度誤差值有明顯的降低。

圖6 不同密度變化

猜測(cè)發(fā)生這種現(xiàn)象的原因在于原材料內(nèi)部水分的不均勻，飽水狀態(tài)、氣干材狀態(tài)以及絕干狀態(tài)，木材內(nèi)部的水分分布均勻，故而時(shí)間數(shù)量對(duì)于平均密度影響不大。

圖7 生材密度誤差值

2.3 試件選用數(shù)量對(duì)桉木干縮率的影響

L、R、T方向氣干干縮率和絕干干縮率在不同試件數(shù)量下的變化如圖8、圖9所示，可以看出，對(duì)于氣干階段來(lái)說(shuō)，不同試件數(shù)量對(duì)于其干縮率的影響很小，對(duì)于誤差值來(lái)說(shuō)，只有弦向收縮率的誤差值表現(xiàn)出隨試件數(shù)量增加而降低的趨勢(shì)。

圖8 氣干干縮率

圖9 絕干干縮率

對(duì)于絕干干縮率，弦向和徑向干縮率誤差值都表現(xiàn)出明顯的隨試件數(shù)量增加而降低的趨勢(shì)。而干縮率較小的縱向則關(guān)系不大。

3 結(jié)論

(1)試件數(shù)量對(duì)于桉木含水率、密度以及干縮率等指標(biāo)測(cè)定的主要影響在于其誤差值上，即試件選用數(shù)量越多，其指標(biāo)測(cè)定誤差值越小。

(2)木材內(nèi)部水分分布越均勻，試件數(shù)量對(duì)于含水率、密度以及干縮率的測(cè)定的影響越小。

(3)尺寸變化越大，試件數(shù)量對(duì)于木材干縮率的影響越大，即試件選用數(shù)量對(duì)弦向干縮率測(cè)定的影響大于徑向大于縱向。