杉木鋸材周期式熱壓干燥及表層密實化

王世鵬，侯俊峰，姜志宏，俞友明

(浙江農林大學化學與材料工程學院，杭州 311300)

杉木是我國南方最主要的速生豐產林樹種之一，其人工林的種植面積和蓄積量均居各樹種之首。然而人工林杉木材質疏松，其密度和物理力學強度較低，限制了杉木的高附加值利用。木材壓縮改性技術是一種物理強化改性方法，操作簡單且無化學污染，木材經過壓縮密實處理可以減小木材的空隙率，在不破壞細胞結構的前提下提高木材的密度和硬度，使其物理力學性能得到提高，從而擴大杉木等速生材的使用范圍。

熱壓干燥技術可以在快速干燥木材的同時，根據壓縮率的設置對木材進行不同程度的壓縮密實處理，進而提高木材的密度和物理力學性能。多年來，該項技術一直用于薄裝飾單板的干燥[1-3]。自1950年以來，開始出現對鋸材熱壓干燥的研究，一般用于干燥建筑用木材產品[4-5]。在熱壓干燥過程中，熱壓板溫度遠高于木材溫度且與木材接觸緊密，木材內部溫度和蒸汽壓力會迅速升高，木材中的水分在內外壓力差的驅動下排出，從而得以快速干燥[6]。研究表明，常規(guī)窯干法對25 mm厚橡木鋸材從含水率為25%干燥至6%～8%的時間通常為一至數周，而熱壓干燥只需1～2 h[7]。此外，熱壓板壓力的作用不僅使木材的密度增加、表面硬度提高，還能抑制被干燥木材在快速干燥過程中產生的翹曲變形[8-9]。本研究以速生杉木鋸材為研究對象，探究周期式熱壓干燥對鋸材干燥速率和干燥質量的影響，并測定熱壓干燥前后鋸材的剖面密度分布特征，通過掃描電鏡觀察其微觀構造變化，揭示熱壓板溫度和壓縮率對鋸材干燥速率、干燥質量和微觀構造的影響規(guī)律，為確定較優(yōu)的杉木鋸材熱壓干燥工藝參數提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

杉木(Cunninghamialanceolata)購自浙江省衢州市，氣干密度為(0.358±0.010) g/cm3，原木采伐加工成規(guī)格為1 100 mm(縱向)×100 mm(弦向)×30 mm(徑向)的杉木弦切板。按圖1所示進行鋸解，對尺寸為400 mm(縱向)×100 mm(弦向)×30 mm(徑向)的杉木鋸材進行保存以保持高含水率狀態(tài)，取相鄰兩個試片含水率的平均值作為杉木鋸材的含水率并計算其絕干質量。試驗前調整含水率至50%～60%。

圖1 杉木鋸材弦切板鋸解示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sawn Chinese fir lumber flat-sawn board

1.2 試驗儀器與設備

熱壓機：浙江湖州東方機械有限公司，XLB-D500×500，總壓力為1 500 kN；剖面密度測定儀D-31785：德國EWS公司，測量范圍最大到1 500 kg/m3；半自動輪轉切片機RM2245：德國徠卡公司;掃描電鏡：TM-3030日本日立高新科技公司；電子天平JCS-21002A：哈爾濱眾匯衡器有限公司，精度為0.01 g，用以含水率試樣質量的稱量；電子秤HLD-30kg：五鑫衡器有限公司，精度為0.5 g，用以杉木試驗板質量的稱量；高低溫交變濕熱試驗箱SETH-EZ-040R：上海愛斯佩克環(huán)境設備有限公司，用以調節(jié)剖面密度試樣的含水率；送風定溫干燥箱WFO-710：上海愛朗有限公司，溫度范圍為40～210 ℃，用以烘干含水率試樣。

1.3 試驗方法

1)杉木鋸材熱壓干燥試驗：以熱壓板溫度和壓縮率為試驗因素對初始含水率為50%～60%的杉木鋸材進行周期式熱壓干燥全因子試驗(表1)。干燥過程中熱壓機壓力值設定為2 MPa，可一次性將鋸材壓縮至目標厚度。當熱壓板溫度達到預設溫度時，將鋸材放入熱壓機進行熱壓干燥試驗，分別通過厚度為27，24和21 mm的厚度規(guī)確定鋸材的最終厚度以控制壓縮率；每個呼吸周期內熱壓板閉合時間為10 min，熱壓板打開時間為2 min[10]，熱壓板打開期間迅速取出鋸材稱質量并計算其實時含水率，直到含水率降低至8%以下。每組進行3次重復試驗，以確保試驗結果的準確性。

表1 杉木鋸材周期式熱壓干燥試驗因素及水平Table 1 Test factors and levels of periodic hot-press drying of Chinese fir lumber

2)含水率及殘余應力測試：干燥結束后按照GB/T 6491—2012《鋸材干燥質量》的規(guī)定，檢測鋸材的終含水率、厚度上含水率偏差及殘余應力。根據試片的終含水率反推出鋸材的絕干質量，再根據實時質量計算出鋸材的實時含水率，繪制干燥曲線并計算出不同含水率階段的平均干燥速率。

3)數據分析：使用IBM SPSS Statistics 25軟件對鋸材的平均干燥速率進行分析，在95%置信范圍內(P=0.05)采用雙因素方差分析顯著性，探究熱壓板溫度和壓縮率對鋸材平均干燥速率的影響。

4)剖面密度測試：在鋸材中部鋸取尺寸為50 mm×50 mm×最終厚度的試樣，在高低溫交變濕熱試驗箱中(溫度為20 ℃，相對濕度為65%)調節(jié)至平衡含水率后，通過剖面密度測定儀測定試樣厚度方向上的剖面密度。

5)微觀構造：在鋸材中部切取70 μm厚的橫向切片，在45 ℃條件下進行烘干處理，通過掃描電鏡觀察微觀構造變化。

2 結果與分析

2.1 干燥速率和干燥質量

2.1.1 干燥速率

杉木鋸材的干燥時間和干燥速率見表2。由表2可得，含水率(MC)在纖維飽和點(FSP)以上的鋸材平均干燥速率遠遠大于FSP以下的平均干燥速率。一方面，這是由于不同含水率階段木材內部水分在細胞間的移動形式不同，自由水的滲透速率大于結合水的擴散速率；另一方面，不同含水率階段的水分壓力不同，含水率的降低會導致水分壓力減小，從而降低了水分的遷出速率，導致鋸材的平均干燥速率下降。

由表2可知，鋸材的干燥速率隨著熱壓板溫度的升高和壓縮率的增加而明顯增大。在20%壓縮率下，當熱壓板溫度從130 ℃上升到150 ℃時，干燥速率分別提高了41.2%(MC>FSP)、50.0%(MCFSP)、16.5%(MCFSP)、11.3%(MCFSP)、45.6%(MC

表2 杉木鋸材熱壓干燥時間和干燥速率Table 2 Drying time and rate of hot-press drying Chinese fir lumber

鋸材的平均干燥速率雙因素差異顯著性分析見表3。由表3可以看出，不同水平的熱壓板溫度和壓縮率對平均干燥速率均有顯著影響。此外，熱壓板溫度的F值大于壓縮率的F值，且兩者的自由度相同，說明本試驗設置的熱壓板溫度變化梯度相比于壓縮率變化梯度對鋸材平均干燥速率的影響更顯著。

表3 鋸材平均干燥速率雙因素差異顯著性分析Table 3 Two-factor significance analysis of average drying rate of lumber

2.1.2 含水率及殘余應力

熱壓干燥杉木鋸材的含水率和殘余應力見表4。由表4可知，干燥材的終含水率達到了干燥質量等級的一級，厚度上含水率偏差達到了二級。然而，通過叉齒法和切片法測得的鋸材殘余應力值均偏大，在鋸解叉齒時發(fā)現兩齒接觸并夾緊，因此叉齒殘余應力值隨壓縮率的增加而減小。故需對干燥材進行終了處理以緩和較大的內應力，進一步提高鋸材的干燥質量和出材率[12]。此外，研究發(fā)現在熱壓板溫度為170 ℃、壓縮率為10%的條件下鋸材出現了內裂，而壓縮率增大到20%和30%時未出現內裂現象。分析其原因：熱壓板溫度的升高導致鋸材內部水分移動和汽化程度增大，木材中較為薄弱的微觀組織——射線薄壁細胞受到破壞，從而產生內裂，降低鋸材的干燥質量[13-14]；壓縮率的增加使鋸材內部自由水被擠出得更多，且由于壓縮密實程度增大，木射線扭曲嚴重，使水分不易在徑向射線薄壁細胞中進行遷移，故在高壓縮率時不會產生內裂。

表4 熱壓干燥杉木鋸材的含水率和殘余應力Table 4 Moisture content (MC) and residual stress of Chinese fir lumber after hot-press drying

2.2 剖面密度分布

熱壓干燥杉木鋸材的剖面密度曲線見圖2，剖面密度分布特征值見表5。由圖2可知，干燥材的上下表層密度明顯增加，剖面密度曲線近似于“M”形。為更好地對干燥材的剖面密度進行分析，本研究以干燥材密度大于氣干材最大密度20%的連續(xù)部分為壓縮層，即壓縮層為密度大于0.472 g/cm3的連續(xù)區(qū)域[15]。

圖2 熱壓干燥杉木鋸材的剖面密度曲線Fig. 2 Profile density curves of Chinese fir lumber after hot-press drying

表5 杉木鋸材剖面密度分布特征值Table 5 Profile density distribution characteristic value of Chinese fir lumber

由表5可知，干燥材壓縮層平均密度均在0.54 g/cm3以上，較氣干材的平均密度增大了50%以上。隨著壓縮率的增加，鋸材的平均密度、峰值密度和壓縮層厚度均顯著增大。在130 ℃熱壓板溫度下，當壓縮率從10%增加到20%，鋸材的平均密度和密度峰值分別增大了10.75%和9.16%，壓縮層厚度從0.80 mm增大到1.79 mm；當壓縮率從20%繼續(xù)增加到30%時，鋸材的平均密度和密度峰值分別增大了13.77%和13.46%，壓縮層平均厚度從1.79 mm增大到3.96 mm。在熱壓板溫度分別為150和170 ℃時，隨著壓縮率的增加也有相同的變化規(guī)律。壓縮率對鋸材剖面密度特征值起決定性作用，可通過改變壓縮率來獲得所需的表層密實化杉木鋸材，而熱壓板溫度對鋸材剖面密度的影響較小。

2.3 微觀構造

熱壓干燥杉木鋸材細胞壁橫切面掃描電鏡圖片見圖3。從圖3可知，與氣干材細胞壁橫截面相比，在熱壓板溫度為130 ℃、壓縮率為10%條件下的杉木早材細胞壁發(fā)生了較大的變形，細胞腔體積變小，木射線扭曲變形(圖3b2)，而晚材細胞腔和木射線變化較小(圖3b3)，壓縮層和晚材之間的過渡層細胞壁呈明顯的多邊形，壓縮不明顯(圖3b1)；當壓縮率增大到30%時，杉木壓縮層厚度和細胞壁變形明顯增大，少數細胞腔被壓實，木射線扭曲嚴重呈“Z”形(圖3c1和c2)，晚材細胞壁有輕微變形(圖3c3)，壓縮層出現細胞壁受壓破裂和變形方向不一致的現象。在熱壓板溫度為170 ℃、壓縮率為30%條件下，杉木壓縮層細胞壁變形方向一致，未發(fā)現細胞壁破裂(圖3d2)，晚材細胞壁變形增大，木射線有輕微扭曲(圖3d3)。這是因為在熱壓板溫度為170 ℃時，杉木細胞壁軟化更充分，更容易被壓縮，且在該溫度下會產生較大的蒸汽壓力，導致晚材細胞壁變形增大[16]。

在熱壓干燥過程中，木材內部處于高溫高濕的環(huán)境，細胞壁中的無定形半纖維素和木質素會由玻璃態(tài)轉變?yōu)楦邚棏B(tài)，進而使得細胞壁在熱壓板壓力的作用下發(fā)生變形[17]。由于早材管胞壁厚度小于晚材，密度和強度較低，且早材在整個年輪中的比重較大，在受到徑向壓縮力時，早材較晚材更易被壓縮[18-19]。壓縮層厚度和細胞壁變形程度隨壓縮率的增加而增大，熱壓板溫度的升高使細胞壁軟化更充分，使之更容易被壓縮，避免在較大壓縮率條件下出現細胞壁受壓破裂的現象。

a)氣干材; b)130 ℃-10%；c)130 ℃-30%；d)170 ℃-30%。圖3 熱壓干燥杉木鋸材的橫切面細胞壁圖片Fig. 3 Micrographs of cell walls on the cross sections of Chinese fir lumber after hot-press drying

3 結 論

1)在本試驗條件下，綜合考慮確定的較優(yōu)杉木鋸材熱壓干燥工藝為熱壓板溫度為150 ℃、壓縮率為30%。對同一批次規(guī)格相同的杉木鋸材，其熱壓干燥速率隨熱壓板溫度的升高和壓縮率的增加而增大。在熱壓板溫度150 ℃、壓縮率30%條件下，鋸材含水率從54%降至8%的干燥時間為96 min，干燥材的終含水率和厚度上含水率偏差分別達到了一級和二級干燥質量指標。在熱壓板溫度為170 ℃時選用高壓縮率可有效避免內裂的產生。

2)干燥材出現了明顯的表層密實化現象。在熱壓板溫度150 ℃、壓縮率30%條件下，干燥材的平均密度和壓縮層密度較氣干材平均密度分別增大了36.9%和66.7%，上下表面的壓縮層平均厚度達到了3.50 mm。壓縮層的細胞腔體積較未壓縮層明顯變小，水分的快速移動導致未壓縮層細胞壁也出現了輕微變形，在高壓縮率時適當提高熱壓板溫度可有效避免細胞壁受壓破裂的現象。

3)針對本試驗中出現的干燥材存在較大殘余應力現象，需進一步開展終了處理工藝研究，以提高杉木鋸材的干燥質量和出材率。