細(xì)木工板基材用杉木干燥工藝研究

黃騰華，榮 波，王軍鋒，葉新忠，宋戀環(huán)

（1．廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧 530002；2．廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530002；3．廣西壯象木業(yè)有限公司，廣西柳州 545400）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國南方大量種植的速生用材樹種之一，具生長速度快、輪伐期短、干形通直、出材率高、密度小及材質(zhì)較松軟等特點；廣泛應(yīng)用于實木家具、室內(nèi)裝修和細(xì)木工板生產(chǎn)等行業(yè)；主要種植在廣西、廣東、福建、四川、云南和貴州等?。ㄗ灾螀^(qū)），種植面積達(dá)到我國商品材面積的四分之一[1-4]。杉木基材干燥是飾面細(xì)木工板生產(chǎn)的重要工序之一，合理干燥，可提高杉木基材干燥質(zhì)量、干燥效率并節(jié)約干燥成本，有效解決飾面細(xì)木工板的厚度偏差、表面不平整及尺寸不穩(wěn)定等技術(shù)難題，推動飾面細(xì)木工板加工企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。對杉木干燥的研究主要集中在百度干燥特性[2]、板材高溫和常溫組合干燥[3-4]、窯干[5]、高頻真空干燥[6]、高溫快速干燥[7]、高溫水供熱干燥[8]和熱壓干燥[9]等對不同厚度（20 ～50 mm）的杉木鋸材或方材（51 mm×74 mm）的干燥工藝及干燥過程傳熱傳質(zhì)[10]和含水率及其分布[11-12]等微觀變化情況，針對細(xì)木工板基材用杉木的干燥工藝研究尚未見報道。本研究以細(xì)木工板基材用杉木鋸材（長×寬×厚=500 mm×60 mm×12 mm）為對象，在百度試驗法制定的29年生杉木木材干燥基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上[2]，開展杉木鋸材的小試干燥工藝研究，制定較優(yōu)杉木鋸材的小試干燥工藝，并在該工藝基礎(chǔ)上采用企業(yè)大型干燥窯開展窯干中試試驗，通過分析干燥質(zhì)量，進(jìn)一步優(yōu)化干燥工藝，編制出較優(yōu)的細(xì)木工板基材用杉木鋸材干燥基準(zhǔn)，為細(xì)木工板基材用杉木鋸材提供科學(xué)合理的干燥工藝。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

杉木鋸材購于廣西壯象木業(yè)有限公司，試材規(guī)格及初含水率見表1。

表1 試材基本情況Tab.1 Basic information of tested materials

1．2 試驗儀器及工具

木材干燥試驗機(jī)（SK-D 電加熱型）（南京森科木材干燥設(shè)備有限公司）；中意干燥設(shè)備（ZY-70）（中國·哈爾濱中意干燥設(shè)備有限公司）；電子天平（PL402-L）（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；游標(biāo)卡尺（桂林量具刃具廠），量程為0 ～600 mm；千分尺（桂林量具刃具廠），量程為0 ～25 mm。

1．3 試驗方法

小試干燥試驗采用容積為1．0 m3的木材干燥試驗機(jī)，在百度試驗法制定的杉木干燥基準(zhǔn)[3]的基礎(chǔ)上編制小試干燥基準(zhǔn)，重復(fù)3 次，每窯堆放128 塊鋸材；選取9塊無裂紋、死節(jié)等缺陷的杉木鋸材作為檢驗板，其中6 塊為含水率檢驗板，1 塊為應(yīng)力檢驗板，2 塊備用，將鋸材按順序進(jìn)行編號。含水率檢驗板每4 h稱重1次，記錄其寬度、厚度及開裂情況；應(yīng)力檢驗板每4 h 取樣1 次，檢測含水率及殘余應(yīng)力變化情況。板材終含水率滿足GB/T 6491-2012[13]、GB/T 5849-2016[14]和GB/T 34722-2017[15]的含水率要求，達(dá)到6%～12%時可降溫出窯，每窯試驗均對鋸材進(jìn)行質(zhì)量統(tǒng)計，統(tǒng)計其缺陷情況，選取干燥質(zhì)量最優(yōu)的一窯，作為較優(yōu)的小試干燥基準(zhǔn)（表2）。

表2 杉木鋸材干燥基準(zhǔn)Tab.2 Drying schedule of C.lanceolata sawn timber

中試干燥試驗采用容積為154 m3的蒸汽間接干燥窯，以較優(yōu)小試干燥基準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合中試干燥窯的容積、裝載量、氣流循環(huán)方向及速度等情況，編制中試干燥基準(zhǔn)，重復(fù)3 次，每窯堆放72 m3板材；試驗板選取、檢驗板擺放、檢驗板跟蹤測試及干燥結(jié)束后板材的干燥質(zhì)量統(tǒng)計均與小試干燥試驗方法一致，獲得較優(yōu)的中試干燥基準(zhǔn)。中試干燥試驗的檢驗板放置在干燥窯小門旁邊，以便取、放檢驗板。檢驗板的最初、最終及應(yīng)力試片的制備均按GB/T 6491-2012[13]所規(guī)定的方法進(jìn)行，并分別選取小試和中試干燥質(zhì)量最優(yōu)的一窯進(jìn)行干燥質(zhì)量分析。

企業(yè)原干燥工藝采用容積為154 m3的蒸汽間接干燥窯進(jìn)行杉木鋸材窯干生產(chǎn)，每窯堆放72 m3板材，共選取3窯進(jìn)行杉木鋸材干燥質(zhì)量分析，檢驗板的放置和檢測方法與中試干燥試驗一致。

1．4 干燥質(zhì)量檢測

參照GB/T 6491-2012[13]要求，干燥結(jié)束后，對所有試驗板的干燥質(zhì)量進(jìn)行檢測，分析各項干燥質(zhì)量指標(biāo)。將企業(yè)原干燥工藝與小試、中試干燥工藝進(jìn)行對比，獲得適合中試窯干的較優(yōu)干燥基準(zhǔn)，可應(yīng)用于細(xì)木工板基材用杉木鋸材大批量窯干生產(chǎn)。

1．5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件整理數(shù)據(jù)并作圖，采用SPSS 軟件進(jìn)行方差分析和多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 干燥曲線及干燥速率

企業(yè)原干燥工藝條件下，杉木鋸材從平均初含水率40．60%干燥至含水率4．80%，共耗時72 h，平均干燥速率為0．49%/h（圖1）；在優(yōu)化小試干燥工藝條件下，杉木鋸材從平均初含水率38．80%干燥至終含水率4．63%，共耗時44 h，平均干燥速率為0．77%/h（圖2）；優(yōu)化中試干燥工藝條件下，杉木鋸材從平均初含水率40．18%干燥至終含水率6．11%，共耗時48 h，平均干燥速率為0．71%/h（圖3）。優(yōu)化中試干燥過程中，干燥至8 ～20 h，杉木鋸材水分蒸發(fā)速率較快，干燥速率最快，最高達(dá)到1．90%/h。在確保干燥質(zhì)量的前提下，優(yōu)化中試干燥較明顯地提高干燥速率，節(jié)約干燥成本。

圖1 企業(yè)原干燥工藝干燥過程曲線Fig.1 Curves of enterprise's original drying process

圖2 優(yōu)化小試干燥過程曲線Fig.2 Curves of optimized drying process of lab scale test

圖3 優(yōu)化中試干燥過程曲線Fig.3 Curves of optimized drying process of pilot scale test

2．2 含水率及其厚度方向偏差

表芯層含水率及其含水率偏差與干燥應(yīng)力的大小、方向呈正相關(guān)關(guān)系[16-17]。企業(yè)原干燥工藝條件下，9 塊檢驗板終含水率為4．80%，芯層含水率比表層高，含水率偏差為0．76%（表3）。優(yōu)化小試干燥工藝條件下，9 塊檢驗板終含水率為4．63%，芯層含水率比表層高，含水率偏差為0．62%。優(yōu)化中試干燥工藝條件下，9 塊檢驗板終含水率為6．11%，芯層含水率比表層高，含水率偏差為0．68%，厚度上的含水率偏差比企業(yè)原有干燥工藝小，說明干燥得更均勻。

表3 不同干燥工藝鋸材干燥質(zhì)量Tab.3 Drying quality of sawn timbers with different drying process

2．3 干燥結(jié)束殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力是木材干燥后尚存在木材內(nèi)部使其自相平衡的應(yīng)力[16-17]。企業(yè)原干燥工藝條件下，檢驗板的殘余應(yīng)力值為0．21%，滿足GB/T 6491-2012[13]對切片法檢測殘余應(yīng)力值不超過0．22%的二級要求；優(yōu)化小試干燥工藝條件下，檢驗板的殘余應(yīng)力值為0．14%，滿足GB/T 6491-2012[13]對切片法檢測殘余應(yīng)力值不超過0．16%的一級要求；優(yōu)化中試干燥工藝條件下，檢驗板的殘余應(yīng)力值為0．15%，滿足一級要求（表3）。

通過觀測檢驗板的殘余應(yīng)力和含水率偏差變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其存在正相關(guān)關(guān)系，含水率偏差越大，殘余應(yīng)力值越高。應(yīng)力試驗片的變化規(guī)律是表層向內(nèi)彎曲、芯層變化不大，說明試驗片表層一邊受到壓縮應(yīng)力，靠近芯層一邊受到拉伸應(yīng)力，說明干燥后應(yīng)力試驗片的芯層含水率比表層高。因此，板材干燥越不均勻，其殘余應(yīng)力越大。殘余應(yīng)力也與杉木鋸材的樹齡、不同樹干高度位置、心邊材和弦徑板等有關(guān)[16-17]。

2．4 可見干燥缺陷

可見干燥缺陷包括順彎、橫彎、翹彎、扭曲和縱裂等。企業(yè)原干燥工藝條件下，各檢驗板的順彎值為1．09%，橫彎值為0．38%，翹彎值為1．23%，扭曲值為1．01%，滿足GB/T 6491-2012 標(biāo)準(zhǔn)二級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求；縱裂值為2．01%，所有檢驗板均無內(nèi)裂和皺縮，滿足GB/T 6491-2012[13]一級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求（表3）。優(yōu)化小試干燥工藝條件下，各檢驗板的順彎值為0．17%，橫彎值為0．12%，翹彎值為0．82%，扭曲值為0．39%，縱裂值為0．89%，所有檢驗板均無內(nèi)裂和皺縮，總體上滿足GB/T 6491—2012[13]標(biāo)準(zhǔn)一級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求。優(yōu)化中試干燥工藝條件下，各檢驗板的順彎值為0．21%，橫彎值為0．09%，翹彎值為0．93%，扭曲值為0．40%，縱裂值為1．92%，所有檢驗板均無內(nèi)裂和皺縮，總體上滿足GB/T 6491-2012 標(biāo)準(zhǔn)一級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求。優(yōu)化中試干燥工藝條件下，杉木鋸材的干燥缺陷比企業(yè)原干燥工藝小，說明通過優(yōu)化干燥工藝，杉木鋸材的干燥質(zhì)量得到提高。

2．5 干燥質(zhì)量分析

企業(yè)原干燥工藝條件下，杉木鋸材的平均終含水率、厚度上的含水率偏差、內(nèi)裂、縱裂和皺縮深度指標(biāo)均達(dá)到GB/T 6491-2012[13]標(biāo)準(zhǔn)一級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求，殘余應(yīng)力、扭曲、橫彎、順彎和翹彎是杉木鋸材干燥較為嚴(yán)重的缺陷，達(dá)到GB/T 6491-2012[13]標(biāo)準(zhǔn)二級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求，可滿足細(xì)木工板的使用要求；優(yōu)化小試干燥和優(yōu)化中試干燥工藝條件下，杉木鋸材的平均終含水率、厚度上的含水率偏差、殘余應(yīng)力、橫彎、順彎、翹彎、扭曲、內(nèi)裂、縱裂和皺縮深度指標(biāo)均達(dá)到GB/T 6491-2012[13]標(biāo)準(zhǔn)一級干燥質(zhì)量指標(biāo)要求。優(yōu)化干燥工藝試驗在干燥初期窯內(nèi)濕度較高，提高干球溫度至70 ℃，保持濕球溫度65 ℃，達(dá)到快速預(yù)熱窯內(nèi)所有杉木鋸材的目的，隨后干球溫度緩慢升高，濕球溫度逐漸下降；干燥后期，采用干球溫度80 ℃進(jìn)行終了處理2 h，可盡量消除或降低后期干燥出現(xiàn)太大的殘余應(yīng)力和含水率梯度，達(dá)到降低木材縱裂和翹彎變形的效果[18-19]。

3 討論與結(jié)論

本研究確定的優(yōu)化中試干燥基準(zhǔn)主要是為了解決細(xì)木工板基材用杉木鋸材干燥時易出現(xiàn)的開裂和翹彎變形問題，在確保干燥質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高干燥效率，縮短干燥時間，節(jié)約干燥成本。試驗結(jié)果表明，本研究獲得的優(yōu)化中試干燥基準(zhǔn)較適合細(xì)木工板基材用杉木鋸材的干燥生產(chǎn)，采用該優(yōu)化干燥工藝，干燥時間約為48 h，比企業(yè)原干燥工藝縮短了33%，干燥質(zhì)量等級達(dá)到GB/T6491-2012[13]標(biāo)準(zhǔn)一級要求，滿足細(xì)木工板基材質(zhì)量要求，較顯著地提高杉木鋸材干燥效率。廣西壯象木業(yè)有限公司已將該工藝應(yīng)用在實際窯干生產(chǎn)中，效果較好，達(dá)到減少干燥缺陷（翹彎、開裂）、提高干燥效率及節(jié)約干燥成本的目的。

在進(jìn)行細(xì)木工板基材用杉木干燥時，應(yīng)盡量消除其干燥應(yīng)力及開裂變形等缺陷。初含水率為35% ～40%杉木鋸材（長× 寬× 厚= 500 mm × 60 mm × 12 mm）的干燥工藝可按以下3 個步驟進(jìn)行。首先，將杉木鋸材裝好窯后，快速升溫，4 h內(nèi)將干燥窯內(nèi)木材熱透，達(dá)到窯內(nèi)部及鋸材內(nèi)外溫度一致；干燥初期應(yīng)保持溫差在5 ～7 ℃，避免干燥初期溫度、濕度相差太大。內(nèi)部溫度均勻后，將溫度降低3 ～5 ℃進(jìn)行干燥，整個干燥過程中，干球溫度逐漸升高、濕球溫逐漸降低。最后干燥溫度控制在75 ～80 ℃，達(dá)到杉木鋸材干燥均勻、干燥質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的目的。