云南杉木鋸材高溫干燥質(zhì)量控制研究

李軍偉

(云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650224)

木材干燥是木制品加工之前的重要工序，木材人工干燥的原理是通過加熱木材，使木材內(nèi)部含水率降到所規(guī)定木材平衡含水率的過程?？刂其彶牡母稍镔|(zhì)量是合理高效利用木材的重要前提，木材及其木制品若在干燥環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，則會出現(xiàn)開裂、變形等一系列質(zhì)量問題，影響木材及其制品的使用壽命。

杉木作為速生材種，具有生長速度快，木紋通直，結(jié)構(gòu)均勻，密度較小，重量較輕，外觀美觀的特點。但由于人工林杉木徑級較小、杉木材質(zhì)輕軟、含水分量大、心邊材間材性差異較大、木材的尺寸穩(wěn)定性較差，易開裂等缺點，造成杉木的木材綜合利用率較低，杉木及其制品在使用過程中易發(fā)生開裂和變形等一系列質(zhì)量問題，影響產(chǎn)品使用性能。杉木鋸材的干燥質(zhì)量直接影響其出材率和后續(xù)制品使用壽命。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，杉木及其木制品都普遍存在木材材質(zhì)較差、容易發(fā)生變形、出現(xiàn)開裂和木制品使用過程中尺寸穩(wěn)定性較差等缺陷，嚴(yán)重限制了杉木的應(yīng)用范圍和杉木經(jīng)濟價值提升[1]。目前國內(nèi)杉木鋸材的干燥方法主要以常規(guī)干燥窯蒸汽干燥方法為主，使用常規(guī)干燥方法已經(jīng)很難滿足市場對杉木高品質(zhì)制品的干燥要求[2]。近年來針對人工速生林大規(guī)格鋸材，探討高效和節(jié)能的干燥方法已經(jīng)成為人工林木材干燥新技術(shù)研究的熱點。

1 杉木鋸材高溫干燥工藝

1.1 杉木鋸材的選擇

試驗所用的杉木鋸材來自云南普洱市景東縣人工速生林內(nèi)的杉木原木，選用杉木樹齡為10年以上。通過帶鋸機把杉木原木鋸解為尺寸規(guī)格2 200 mm×120 mm×40 mm的杉木鋸材。在原木鋸解時選用少節(jié)或無死節(jié)徑切板作為試驗材料，鋸材的初始含水率在65%以上[3]。

圖1 杉木鋸材試驗材料選擇

1.2 杉木鋸材干燥基準(zhǔn)制訂

采用杉木鋸材高溫干燥工藝，先使高溫(100 ℃)和高溫度(飽和或接近飽和)的濕空氣在循環(huán)流動中不斷地穿過按照一定規(guī)格堆放的杉木鋸材材堆，對杉木鋸材進行預(yù)熱。當(dāng)杉木鋸材加熱到一定程度后，開始進入杉木鋸材干燥階段，依據(jù)杉木鋸材高溫干燥基準(zhǔn)，繼續(xù)提高干燥窯的溫度和相對濕度，使鋸材中的水分從表面開始逐步蒸發(fā)，然后按照干燥基準(zhǔn)規(guī)定的程序，逐步提高介質(zhì)的溫度和濕度，使杉木鋸材中內(nèi)部水分從內(nèi)到外蒸發(fā)，直到干燥結(jié)束。在鋸材平衡含水率階段，降低干球溫度至95 ℃，濕球溫度至90 ℃，并保持在6 h以上，最后完成杉木鋸材的干燥。依據(jù)試驗的杉木鋸材的尺寸規(guī)格、常規(guī)木材干燥窯干燥介質(zhì)的流速和杉木鋸材的初始含水率制訂出杉木鋸材高溫干燥含水率控制基準(zhǔn)，見表1。

表1 杉木鋸材高溫干燥含水率控制基準(zhǔn)

1.3 杉木鋸材干燥過程的控制

杉木鋸材進入木材干燥窯，通過隔條按照一定順序堆垛，關(guān)閉木材干燥窯大門，進入木材預(yù)熱階段。杉木鋸材預(yù)熱目的是對杉木鋸材加熱并提高鋸材心層的溫度，使鋸材充分熱透，以便在鋸材干燥階段能夠加速木材內(nèi)部水分向表層移動，并消除鋸材的內(nèi)應(yīng)力，防止杉木鋸材出現(xiàn)開裂和變形。通過加熱對木材干燥窯進行升溫，杉木鋸材預(yù)熱階段遵循緩慢升溫原則，杉木鋸材預(yù)熱處理階段控制干燥窯溫度為100 ℃左右。在杉木鋸材干燥初期，隨著鋸材表面和端面含水率的降低，為了減少鋸材干燥初期的缺陷，防止鋸材表面和端面出現(xiàn)開裂，需要對鋸材表面進行噴蒸處理，干燥窯風(fēng)機間隔3小時左右開動一次，加快干燥窯室內(nèi)空氣流通，使噴出的蒸汽能夠均勻分散在鋸材表面，減緩杉木鋸材表面水分蒸發(fā)。鋸材表面噴蒸處理結(jié)束后，需要保溫4～5 h，待杉木鋸材表面和內(nèi)部含水率梯度均勻一致，進入鋸材干燥階段。

在杉木鋸材干燥中期需要對鋸材進行調(diào)濕處理，調(diào)濕處理可以消除干燥前期鋸材產(chǎn)生的表面應(yīng)力，避免鋸材干燥中期鋸材出現(xiàn)表裂，同時可以有效消除鋸材在干燥后期所產(chǎn)生的鋸材表面硬化現(xiàn)象，以防止干燥后期出現(xiàn)的鋸材內(nèi)裂。在杉木鋸材含水率降低到20%左右，干燥窯升溫到達到最高溫度120 ℃左右，最終杉木鋸材干燥達到含水率8%～10%，高溫干燥階段通過噴蒸對杉木鋸材表面進行過熱蒸汽處理，處理時間為2～4 h，目的是以防止杉木鋸材出現(xiàn)含水率梯度而產(chǎn)生內(nèi)部開裂。在杉木鋸材高溫干燥過程中，要嚴(yán)格控制木材干燥窯升溫速度，如果干燥窯升溫速度太快在干燥過程中容易出現(xiàn)鋸材的干燥缺陷。

杉木鋸材干燥結(jié)束后，停止加熱，及時關(guān)閉干燥窯的加熱器和噴蒸管的閥門，打開干燥窯的排氣窗，讓頂部風(fēng)機繼續(xù)運轉(zhuǎn)，通過氣流作用使干燥窯內(nèi)的鋸材緩慢冷卻，當(dāng)鋸材溫度下降到20 ℃左右，與外界氣溫相差不大時，打開干燥窯大門，鋸材開始順序出窯，這個階段要預(yù)防木材干燥結(jié)束干燥窯溫度變化過快而出現(xiàn)鋸材變色等干燥缺陷[4]。

2 杉木鋸材干燥缺陷缺陷分析

杉木鋸材干燥完成后，依據(jù)《鋸材窯干工藝規(guī)程》LY/T 1068—2012和《鋸材干燥質(zhì)量》GB/T 6491—2012，對干燥窯全部干燥完畢的杉木鋸材的開裂和變形等可見干燥缺陷進行檢測[5]。

統(tǒng)計結(jié)果表明：杉木鋸材開裂和變形是干燥的主要缺陷，杉木鋸材干燥過程中最常見的變形缺陷有橫彎、順彎和翹曲等常見干燥缺陷，最明顯的變形缺陷有橫彎和翹曲。在干燥初期杉木鋸材出現(xiàn)的是端面開裂和表面開裂，表面開裂會從木材端面延伸到內(nèi)部，端面開裂多數(shù)是制材前原木的生長應(yīng)力和干縮出現(xiàn)的裂紋。在干燥后期杉木鋸材主要發(fā)生內(nèi)部開裂，內(nèi)部開裂是杉木鋸材干燥的主要缺陷之一，內(nèi)部開裂主要發(fā)生于杉木鋸材的心邊材交界處。

2.1 鋸材開裂

2.1.1 端裂

試驗表明，杉木鋸材端部與鋸材內(nèi)部相比，端部水份蒸發(fā)較快而先干燥，干燥開始時，鋸材內(nèi)部的自由水開始蒸發(fā)，當(dāng)杉木鋸材端部水份低于木材纖維飽和點時，木材的細(xì)胞便開始出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，當(dāng)其木材的干縮應(yīng)力超過木材的強度極限時，杉木鋸材端部髓心處或粗木射線處或沿外板面發(fā)生縱向裂口，出現(xiàn)端部開裂現(xiàn)象，杉木鋸材的厚度越大，端裂缺陷越明顯。

為了防止杉木鋸材端裂缺陷的產(chǎn)生，進入木材干燥窯之前可將厚度較大的鋸材剖分成薄板或小方材進行干燥，有效防止端裂和其他干燥缺陷發(fā)生；在干燥之前對杉木鋸材端部進行封閉，例如通過涂刷石臘油或厚油漆，可以減緩鋸材端部水分的揮發(fā)速度，減緩鋸材端部開裂；在鋸材進入干燥窯后，用于間隔的隔條盡量靠近杉木鋸材的斷頭并做到上下對齊，材堆與材堆的鋸材端頭盡量排列整齊，控制在干燥過程中干燥窯內(nèi)氣流在材堆端部的流動速度，減緩杉木鋸材的端部水分蒸發(fā)速度。

2.1.2 表裂

試驗表明，杉木鋸材的表裂發(fā)生在鋸材的外表面上，并且表裂的裂紋沿木射線方向。杉木鋸材的表裂是由于干燥前期表層水分蒸發(fā)速度過快而引起鋸材表面張應(yīng)力過大，從而引起鋸材表層裂紋的產(chǎn)生。

為了防止杉木鋸材表裂缺陷的產(chǎn)生，在杉木鋸材的干燥初期，緩慢升溫，控制鋸材的干燥速度；在杉木鋸材干燥中期，需進行鋸材表面噴蒸處理，通過鋸材表面調(diào)濕降低木材表面張力，對于厚度較大的杉木厚板，調(diào)濕需要隨著鋸材含水率的降低多次進行，可以有效預(yù)防杉木鋸材的表裂。

2.1.3 內(nèi)裂

試驗表明，杉木鋸材的內(nèi)裂是表面開裂向內(nèi)發(fā)展之后，在鋸材干燥后期表面開裂閉合而形成的，特別是厚度較大的弦切板的內(nèi)裂更為明顯。杉木鋸材內(nèi)裂產(chǎn)生的原因是在鋸材干燥后期，隨著鋸材溫度升高，杉木鋸材內(nèi)層長時間受熱，鋸材內(nèi)層寬度方向的收縮大于鋸材表層的收縮從而引起鋸材的內(nèi)部開裂。

為了防止杉木鋸材內(nèi)裂缺陷的產(chǎn)生，在杉木鋸材干燥的中期和后期要進行鋸材的中間處理，在窯干的中、后期及時進行中間處理，對杉木鋸材進行調(diào)濕處理，調(diào)濕處理可以消除干燥前期鋸材產(chǎn)生的表面應(yīng)力，避免鋸材干燥中期鋸材出現(xiàn)表裂，同時可以有效消除鋸材在干燥后期所產(chǎn)生的鋸材表面硬化現(xiàn)象，以防止干燥后期出現(xiàn)的鋸材內(nèi)裂。同時，對于厚度較大的杉木鋸材，要控制好干燥后期的溫度，減少鋸材內(nèi)層的收縮。

2.2 鋸材變形

試驗表明，杉木鋸材干燥后的變形是鋸材干燥的主要缺陷之一，杉木鋸材的變形是由于鋸材板材紋理或者鋸路不直，在干燥過程中鋸材各方向的收縮率不同而引起的。杉木鋸材干燥常見的變形缺陷主要有彎曲和翹曲等。

2.2.1 彎曲

試驗表明，杉木鋸材干燥后的彎曲主要有橫彎和順彎兩種。杉木鋸材的橫彎主要是干燥后的鋸材沿橫向發(fā)生彎曲，橫彎在厚度和寬度較大的弦切板尤為明顯。引起橫彎的主要原因是杉木鋸材在干燥過程中正面材面的收縮大于反面鋸材的收縮，杉木鋸材在上下兩個相對材面的出現(xiàn)弦徑向干縮量不同，杉木鋸材向正面方向彎曲。杉木鋸材的縱彎是鋸材板面沿縱向發(fā)生彎曲，杉木鋸材發(fā)生縱向彎曲主要原因是鋸材縱向干縮量大而引起的。

為了防止杉木鋸材彎曲缺陷的產(chǎn)生，在鋸材進入干燥窯時，采取合理堆積材堆，堆垛是隔條要擺放整齊，上下保持在一條線上；或者用重物如水泥塊等，壓在杉木鋸材材堆頂部；在干燥初期對杉木鋸材進行高溫高濕處理，減少杉木鋸材應(yīng)力；在鋸材干燥末期，控制好杉木鋸材的平衡及終了處理，都可以有效控制杉木鋸材彎曲產(chǎn)生。

2.2.2 翹曲

試驗表明，杉木鋸材板面發(fā)生翹曲主要原因是由于鋸材紋理出現(xiàn)缺陷，例如出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)紋等，或者是由于鋸材樹齡不同在干燥時出現(xiàn)鋸材縱向干縮量過大等原因引起的。

為了防止杉木鋸材翹曲缺陷的產(chǎn)生，在杉木鋸材干燥時，要求杉木鋸材堆積合理，鋸材厚度統(tǒng)一；隔條碼放要控制在上下垂直在一條直線上，間隔一致；在鋸材干燥進行中合理調(diào)整鋸材干燥基準(zhǔn)，控制好干燥窯溫度，控制好材堆中溫濕度和干燥介質(zhì)循環(huán)速度；在鋸材干燥后期要對鋸材進行調(diào)濕處理，通過采用高溫高濕對鋸材表面處理，增加鋸材塑性，減少杉木鋸材翹曲缺陷的發(fā)生[6]。

3 結(jié)論

隨著國家全面停止天然林商業(yè)性采伐，人工林已成為國內(nèi)木材產(chǎn)業(yè)資源的主要供應(yīng)，由于人工林木材資源質(zhì)量差、價值低，生產(chǎn)中采用的杉木鋸材常規(guī)干燥方法生產(chǎn)效率低、成本較高、干燥缺陷率高，對于杉木木材高效利用是一個技術(shù)瓶頸?；诘唾|(zhì)人工林木材的材質(zhì)特性，采用過熱蒸汽和高溫干燥技術(shù)相結(jié)合的干燥方法，在保證干燥速度的前提下，提高木材干燥質(zhì)量，提高木材的附加值和后續(xù)進一步利用，對促進低質(zhì)人工林木材高效高附加值利用具有重要意義。

通過對40 mm厚杉木鋸材采用高溫干燥工藝，結(jié)果表明杉木鋸材高溫干燥工藝可顯著減少鋸材在常規(guī)干燥過程中出現(xiàn)的開裂和變形等干燥缺陷，在杉木鋸材高含水率階段采用過熱蒸汽干燥工藝，使杉木鋸材的滲透性得到提高，干燥中后期采用調(diào)濕、噴蒸等中間處理工藝，可顯著降低杉木鋸材的干燥缺陷，鋸材的干燥質(zhì)量得到顯著提高。