人工林楊木皺縮恢復(fù)工藝參數(shù)優(yōu)化研究

趙喜龍 王喜明 賀 勤 王 磊 邵 偉

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.宿遷禾記木制玩具有限公司，江蘇 宿遷 223701）

楊樹(shù)在世界范圍內(nèi)廣泛種植，并且由于其對(duì)環(huán)境和社會(huì)的作用，自古以來(lái)就與人類息息相關(guān)[1-4]。由于“天然林保護(hù)”工程的實(shí)施，我國(guó)將近60%的木材都需要從其他國(guó)家進(jìn)口，其中，俄羅斯、新西蘭和美國(guó)是我國(guó)主要的木材進(jìn)口國(guó)。近幾年，許多國(guó)家都開(kāi)始實(shí)行了限制木材出口的政策，導(dǎo)致木材進(jìn)口的難度越來(lái)越大，特別是原木的進(jìn)口。而我國(guó)人工林蓄積量位居世界第1位，如果能利用人工林木材代替天然林木材，那么將對(duì)緩解我國(guó)木材資源短缺問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5-6]。人工林木材通常具有材質(zhì)松軟、材性較差、易變形等特點(diǎn)，一定程度限制了其應(yīng)用范圍，應(yīng)通過(guò)一定的改性方法提高其強(qiáng)度等性能，進(jìn)而使其能夠較好地替代天然木材進(jìn)行使用[7-10]。

此外，人工林楊樹(shù)木材在干燥過(guò)程中存在彎曲、皺縮等現(xiàn)象[11-14]。皺縮通常是由于針闊葉材細(xì)胞形態(tài)發(fā)生一定程度的改變使木材收縮，進(jìn)而使木材損失量增加[15-19]。木材在發(fā)生皺縮現(xiàn)象的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致木材表面開(kāi)裂，木材的強(qiáng)度顯著降低[20-21]。木材皺縮的原因較多，一是木材干燥過(guò)程中由于含水率梯度的原因從而產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致木材皺縮；二是木材毛細(xì)管壓力在自由水移動(dòng)過(guò)程中形成動(dòng)力導(dǎo)致木材皺縮[22-24]；三是木材細(xì)胞壁微孔尺寸發(fā)生改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生靜壓力導(dǎo)致木材皺縮，木材皺縮一般會(huì)發(fā)生在木材纖維飽和點(diǎn)以上，木材的皺縮率與木材體內(nèi)的飽水性呈正相關(guān)[25-27]，通過(guò)改變外界環(huán)境如溫度的變化可以對(duì)木材皺縮進(jìn)行一定程度的皺縮恢復(fù)[27]，皺縮恢復(fù)工藝的研究為人工林木材合理利用以及有效節(jié)約木材提供理論基礎(chǔ)，本文根據(jù)前人研究成果，將皺縮木材在不同溫度和時(shí)間條件下進(jìn)行恢復(fù)試驗(yàn)，觀察其弦徑向恢復(fù)性能與含水率的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

北京楊（Populus×beijingensisW. Y. Hsu）試材，采自呼和浩特郊區(qū)苗圃，取紋理通直，無(wú)變色腐朽等缺陷的木材部分。

1.2 試驗(yàn)方法

如圖1所示，將楊木鋸解成500 mm ×100 mm ×50 mm（縱向×弦向×徑向）的板材，放入溫度為（103±2） ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，烘至絕干。取出后，測(cè)量試件的弦向尺寸、徑向尺寸、重量。之后試樣被放入真空加壓馬弗爐中，飽和蒸汽被通入其中，通過(guò)改變馬弗爐室內(nèi)溫度以及不同時(shí)間進(jìn)而得到皺縮恢復(fù)試樣（試樣參數(shù)見(jiàn)表1），處理后的試樣被測(cè)量其含水率變化、徑向尺寸變化率以及弦向尺寸變化率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)被采用SAS 9.2統(tǒng)計(jì)軟件擬合一般線性模型，并采用方差分析。

圖1 木材皺縮恢復(fù)試件Fig.1 The wood sample of shrinkage recovery

表1 木材皺縮恢復(fù)優(yōu)化工藝參數(shù)表Tab.1 The optimization process parameter table of wood shrinkage recovery

2 結(jié)果與討論

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)建立模型，可以發(fā)現(xiàn)試樣變化率置信度均在0.000 1 之下?？梢耘袛喟櫩s工藝擬合的數(shù)據(jù)模型是合理的。由表3 數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，試件的皺縮恢復(fù)工藝三項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)均為顯著。

表2 木材試樣擬合度分析結(jié)果Tab.2 The verified model result of wood sample

表3 不同參數(shù)指標(biāo)對(duì)試樣皺縮恢復(fù)工藝的顯著性結(jié)果Tab.3 The significant results of different parameters on specimen shrinkage recovery process

根據(jù)表3結(jié)果可知，溫度和時(shí)間這兩個(gè)因子在皺縮恢復(fù)工藝中對(duì)含水率變化率、徑向尺寸變化率以及弦向尺寸變化率均有顯著影響。在時(shí)間與溫度的交互影響中，對(duì)徑向尺寸變化率影響不顯著，弦向尺寸變化率最明顯，對(duì)含水率變化也有明顯影響。通過(guò)進(jìn)一步分析，得到以下結(jié)果。

表4列出了不同因子各水平對(duì)恢復(fù)性能的影響，可以看出，在溫度的影響中，80 ℃的弦向尺寸變化率比60 ℃得到顯著提升，由0.541%提升到1.397%，而100 ℃比80 ℃的弦向尺寸變化率雖然也有增大，但與60 ℃到80 ℃的變化率相比不顯著，只提高到1.650%。同時(shí)可以看到，處理溫度由60 ℃提高到80 ℃時(shí)，徑向尺寸變化率由0.898%提高到1.131%，變化不顯著；而100 ℃時(shí)達(dá)到1.501%，變化顯著。含水率影響中，60、 80 ℃和100 ℃三個(gè)水平區(qū)別顯著，分別為4.185%、9.145%和10.752%。

表4 不同因子各水平皺縮恢復(fù)效果Tab.4 The recovery effect of different factors at different levels

同時(shí)由表4可以看到，在時(shí)間影響中，2、4 h和6 h處理的弦向尺寸變化率分別為0.683%、1.235%和1.670%，三水平變化顯著。4 h處理的徑向尺寸變化率較2 h處理由0.901%提高到1.218%，二者區(qū)別顯著。6 h處理的徑向尺寸變化率達(dá)到1.411%，與4 h處理比較，變化不顯著。含水率變化中，2、4 h和6 h三個(gè)水平變化顯著，分別為6.675%、8.127%和9.281%。

根據(jù)表5 數(shù)據(jù)繪制弦向變化率、徑向變化率和含水率變化圖，如圖2～4 所示。

表5 不同溫度各時(shí)間皺縮恢復(fù)效果Tab.5 The recovery effect of crinkle at different temperature and time

圖2 不同溫度各時(shí)間試樣弦向變化率Fig.2 The tangential change rates of samples at different temperatures and times

如圖2 所示，試材的弦向尺寸變化率隨溫度的升高逐漸增大，存在一定程度的線性關(guān)系。80 ℃的弦向尺寸變化率較60 ℃時(shí)顯著增大，當(dāng)處理時(shí)間為4 h時(shí)，相同時(shí)間不同溫度條件下100 ℃時(shí)的弦向尺寸變化率較80 ℃時(shí)增大不明顯，當(dāng)處理時(shí)間為6 h時(shí)，100 ℃時(shí)的弦向尺寸變化率比80 ℃增加明顯，然而處理時(shí)間為2 h弦向尺寸變化率偏低。同時(shí)還可看出，60 ℃蒸汽處理2、4 h和6 h時(shí)，弦向尺寸變化幅度接近，分別為0.412%、0.543%和0.669%。80℃蒸汽處理時(shí)，4 h較2 h處理的弦向尺寸變化率明顯增大，由0.854%增大到1.568%；而6 h處理后，弦向尺寸變化只增大到1.767%，增幅大大降低。100 ℃蒸汽處理2、4 h和6 h時(shí)，弦向尺寸變化幅度明顯，分別為0.781%、1.594%和2.575%。

圖3 顯示試材的徑向尺寸變化率隨溫度的升高逐漸增大。80 ℃的徑向尺寸變化率較60 ℃時(shí)增大不顯著，100 ℃時(shí)的徑向尺寸變化率較80 ℃時(shí)顯著增大。同時(shí)還可看出，60 ℃蒸汽處理2、4 h時(shí)，徑向尺寸變化率由0.717%增大到0.846%；而經(jīng)過(guò)6 h處理后，徑向尺寸變化率達(dá)到1.131%，較80 ℃增大明顯。80 ℃蒸汽處理時(shí)，4 h較2 h處理的徑向尺寸變化率明顯增大，由0.762%增大到1.253%；而6 h處理后，徑向尺寸變化只增大到1.378%，增幅大大降低。100 ℃蒸汽處理2、4 h和6 h時(shí)，徑向尺寸變化幅度接近，分別為1.223%、1.555%和1.724%。

圖3 不同溫度各時(shí)間試樣徑向變化率Fig.3 The radial change rates of samples at different temperatures and times

如圖4所示，木材試材的含水率變化率隨溫度的升高逐漸增大，變化顯著。60 ℃不同處理時(shí)間條件下含水率變化幅度接近，分別為4.060%、4.126%和4.367%。80 ℃蒸汽處理2、4 h和6 h時(shí)，含水率變化幅度顯著，分別為6.495%、9.017%和11.923%。100 ℃蒸汽處理時(shí)，4 h較2 h的含水率由9.468%增大到11.237%；處理6 h時(shí)，含水率增大到11.557%，較4 h處理變化不明顯。

圖4 不同溫度各時(shí)間試樣含水率變化Fig.4 The moisture content of samples at different temperatures and times

3 結(jié)論

1）在溫度對(duì)恢復(fù)指標(biāo)的影響中，80 ℃的弦向尺寸變化率較60 ℃得到顯著提升，100 ℃的弦向尺寸變化率也有所增加。同時(shí)，處理溫度由60 ℃提高到80 ℃時(shí)，徑向尺寸變化率變化不顯著，而提高到100 ℃時(shí)變化顯著。

2）在時(shí)間對(duì)恢復(fù)指標(biāo)的影響中，經(jīng)過(guò)2、4 h和6 h馬弗爐處理后木材試樣弦向尺寸變化率顯著；在4 h和2 h的時(shí)間比較中，4 h較2 h處理后的試樣徑向變化率顯著提高，然而經(jīng)過(guò)6 h處理后的木材試樣徑向尺寸變化率增幅不大。

3）根據(jù)時(shí)間和溫度對(duì)恢復(fù)指標(biāo)的交互影響，最優(yōu)處理工藝為100 ℃，6 h，而80 ℃，6 h次之。