紅櫟與蒙古櫟復(fù)合材料的蒸汽爆破試驗(yàn)

紅櫟與蒙古櫟復(fù)合材料的蒸汽爆破試驗(yàn)

中國(guó)是一個(gè)森林資源極其不足的國(guó)家。大量進(jìn)口的木材中,大多為難干的闊葉材,干燥時(shí)極易產(chǎn)生開(kāi)裂等缺陷,使木材的利用率降低,造成木材的浪費(fèi)。大多數(shù)難干材如櫟木類木材由于木射線寬大,薄壁組織發(fā)達(dá),密度、硬度和強(qiáng)度均較大,干燥非常困難。干燥企業(yè)為了保證干燥質(zhì)量,用較低的干燥溫度,干燥周期長(zhǎng),干燥成本高,影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為了提高難干材的干燥速度,干燥前期采用如汽蒸、水煮等方法對(duì)木材進(jìn)行預(yù)處理,以增加木材的滲透性,加快水分從木材的內(nèi)部向外流動(dòng)。日本學(xué)者對(duì)柳杉圓木用高溫蒸汽爆破進(jìn)行干燥預(yù)處理,結(jié)果干燥時(shí)間有所縮短。蒸汽爆破預(yù)處理可以提高日本柳杉的滲透性,并改善其干燥性能。張耀麗對(duì)毛果冷杉濕心材蒸汽爆破后的滲透性分析認(rèn)為,蒸汽爆破處理使紋孔緣與細(xì)胞壁出現(xiàn)裂痕,紋孔塞與塞緣出現(xiàn)裂隙,交叉場(chǎng)紋孔出現(xiàn)裂痕,從而使得毛果冷杉濕心材的滲透性得以提高。木材的滲透性是木材的重要物理特性之一,木材干燥過(guò)程中水分的排除,木材加工利用處理,如木材防腐、改性、阻燃、制漿以及尺寸穩(wěn)定等都與滲透性密切相關(guān)。筆者對(duì)較難干燥的硬闊葉樹(shù)材柞木(蒙古櫟)板材和紅櫟板材在不同壓力下進(jìn)行了蒸汽爆破預(yù)處理,并對(duì)爆破處理的木材進(jìn)行了橫向氣體滲透性的測(cè)量,以期為解決硬闊葉材的干燥問(wèn)題提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1試材尺寸、尺寸采用櫟木類木材,因其材質(zhì)硬,木射線發(fā)達(dá),在干燥過(guò)程中極易沿木射線方向開(kāi)裂,屬于難干木材。柞木(蒙古櫟QuercusmongolciaFisch.)試材尺寸為34mm(厚)×75mm(寬)×570mm(長(zhǎng));紅櫟(Q.coccinea)試材尺寸75mm(寬)×570mm(長(zhǎng)),厚度分別為10、20、30mm。1.2蒸汽發(fā)生器能承受壓力爆破所采用的設(shè)備主要有:壓力容器、蒸汽發(fā)生器、加壓泵等。壓力容器承受的壓力可達(dá)2.4MPa,蒸汽發(fā)生器能承受的最大壓力0.6MPa。由于試驗(yàn)條件限制,以一臺(tái)最大壓力0.6MPa的空氣壓縮機(jī)來(lái)代替水環(huán)式加壓泵,所以試驗(yàn)的最大壓力設(shè)置為0.55MPa。1.3空氣壓縮和加壓蒸汽爆破處理是將試件放入壓力容器中,通入飽和蒸汽加熱到設(shè)定的溫度,使其在該溫度下保溫1.5h,目的是使木材盡快熱透。再用空氣壓縮機(jī)加壓,當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定壓力后,迅速打開(kāi)卸壓閥,波動(dòng)卸壓直至常壓,波動(dòng)卸壓的目的是對(duì)木材內(nèi)部產(chǎn)生沖擊,破壞紋孔膜及薄壁細(xì)胞,增加木材的滲透性。然后再升壓,如此反復(fù)多次。試驗(yàn)過(guò)程中溫度保持為設(shè)定值。試驗(yàn)采用幾種不同的溫度、壓力,以及蒸汽爆破次數(shù)對(duì)木材進(jìn)行爆破處理,并測(cè)量了蒸汽爆破處理前后的含水率,經(jīng)過(guò)蒸汽爆破處理后板材的含水率都有不同的下降(表1)。1.4材料的滲透率測(cè)試方法現(xiàn)代結(jié)木材經(jīng)過(guò)蒸汽爆破處理后,將其全部板材置于一臺(tái)調(diào)溫調(diào)濕箱內(nèi),用同一干燥基準(zhǔn)進(jìn)行干燥。干燥采用的是以柞木厚34mm板材為基準(zhǔn)。干燥到木材含水率達(dá)到6%時(shí),把板材從調(diào)濕調(diào)濕箱內(nèi)取出,放置一段時(shí)間,使板材在厚度上的含水率趨于一致。然后再測(cè)量其滲透性。采用氣體滲透性的試驗(yàn)方法,雖然木材在高含水率階段的干燥過(guò)程中主要是液體的流動(dòng),但是木材的液體滲透性和氣體的滲透性的規(guī)律基本上是一致的,只是在數(shù)值上氣體滲透性比液體滲透性大,所以可以用氣體滲透性來(lái)反映木材的滲透性是否有變化。采用升水體積置換法測(cè)量爆破處理材和未處理材的氣體滲透性并進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)裝置根據(jù)文獻(xiàn)制作。在測(cè)量木材的滲透性時(shí)要記錄環(huán)境的溫度,以便得到在該溫度下水和空氣的黏度,較準(zhǔn)確地計(jì)算出木材的滲透性。由于是測(cè)量木材某一個(gè)方向的滲透性,因此對(duì)其他方向應(yīng)進(jìn)行密封,在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)使整個(gè)儀器各部位緊密聯(lián)接。將滲透性測(cè)試試樣鋸成方形截面,測(cè)量時(shí)用內(nèi)徑與試件的外徑相同的軟橡膠管套緊并封牢,以防氣體從側(cè)面泄漏,影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。試樣的尺寸為9mm(厚)×9mm(寬)×10mm(長(zhǎng))。測(cè)量試樣的弦向滲透性。從每塊試材的表面層和中芯層截取選取試樣,測(cè)量每塊試材的表層和芯層的氣體滲透性。2蒸汽爆破可以改善木材的滲透率柞木和紅櫟板材表芯層的滲透性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),經(jīng)過(guò)爆破處理的柞木和紅櫟板材的橫向氣體滲透性,無(wú)論在什么樣的爆破處理?xiàng)l件下,均大于未經(jīng)爆破處理的柞木和紅櫟板材的橫向氣體滲透性,表明蒸汽爆破處理完全可以改善木材的滲透性。2.1爆破處理壓力的影響在相同的爆破次數(shù)條件下,爆破壓力與滲透性的關(guān)系見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),未經(jīng)爆破處理的柞木板材滲透性最小;當(dāng)爆破壓力為0.25MPa時(shí),滲透性略有增加;而爆破壓力為0.55MPa時(shí),表層和芯層的滲透性都最大。說(shuō)明爆破處理時(shí)壓力越高,柞木板材的表層和芯層的滲透性越大。因此,為了提高柞木板材的橫向滲透性,當(dāng)木材蒸汽爆破預(yù)處理時(shí),在不破壞木材的力學(xué)性能的條件下,可以采用較高的壓力。爆破處理的壓力對(duì)板材表、芯層滲透性差異也有影響。由表2可見(jiàn),柞木板材的表、芯層滲透性差異較小,且表芯層的滲透性差異隨處理壓力的增大而減少。其差異最小的為壓力0.55MPa、溫度為70℃時(shí)的蒸汽爆破處理?xiàng)l件,表、芯層滲透性差異較大的為未經(jīng)爆破處理的板材。表明壓力對(duì)柞木板材的爆破深度有影響,爆破壓力越大,板材的爆破深度越大。對(duì)于紅櫟板材雖然爆破處理的壓力較高(0.55MPa),但其表芯層的滲透性差異都較大,而且相差近有1個(gè)數(shù)量級(jí),這說(shuō)明不同樹(shù)種的板材采用相同的爆破處理?xiàng)l件時(shí)其滲透性是不同的。木材在爆破處理后橫向氣體滲透性增加的原因,主要由于部分閉塞的紋孔膜,在壓力瞬間釋放沖擊下而破裂,壓力越大,卸壓時(shí)對(duì)紋孔膜產(chǎn)生的沖擊越大,甚至紋孔邊緣開(kāi)裂使兩紋孔相通(圖1a),紋孔上的裂隙越多,滲透性越大。柞木和紅櫟都富有大量的射線薄壁細(xì)胞,在加壓及壓力釋放時(shí),受到?jīng)_擊產(chǎn)生裂紋(圖1b),使木材的滲透性提高。另外柞木的導(dǎo)管內(nèi)含有侵填體,在蒸汽爆破處理過(guò)程中,在蒸汽和壓力的作用下以及瞬間卸壓時(shí),侵填體脫離開(kāi)導(dǎo)管內(nèi)壁(圖1c),便于水分橫向移動(dòng)。2.2爆破次數(shù)對(duì)苗木材滲透率的影響在蒸汽爆破處理的壓力和溫度一定的條件下,爆破次數(shù)對(duì)木材的滲透性也有影響:柞木板材在爆破壓力為0.25MPa、溫度為80℃時(shí),爆破20次比爆破10次其滲透性提高了30%左右;厚度30mm的紅櫟板材,在爆破處理壓力為0.55MPa、溫度為60℃時(shí),爆破10次比爆破5次的板材滲透性增加了近1倍。2.3爆破壓力增加所增加在爆破壓力相同的情況下,溫度對(duì)提高板材的滲透也有所增加,如柞木爆破壓力在0.4MPa時(shí),110℃要比100℃時(shí)的滲透性高;柞木爆破壓力在0.55MPa時(shí),70℃要比60℃時(shí)的滲透性高。2.4紅櫟板式紅櫟面板的滲透率爆破處理時(shí)板材的厚度對(duì)滲透性也有影響。從表2可看出,紅櫟板材不同厚度在相同的爆破處理?xiàng)l件下,10mm厚的紅櫟板材的滲透性最大,隨著紅櫟板材厚度的增加橫向氣體滲透性逐漸減小。板材表層的橫向氣體滲透性均大于板材芯層,也說(shuō)明板材的厚度對(duì)爆破處理有一定影響,爆破處理對(duì)滲透性的影響是由表層向內(nèi)部進(jìn)行的。2.5抗彎強(qiáng)度測(cè)試爆破處理后的板材經(jīng)過(guò)干燥達(dá)到7%的含水率,并未發(fā)現(xiàn)柞木板材有開(kāi)裂現(xiàn)象,為了研究低壓蒸汽爆破處理對(duì)木材的力學(xué)性能是否有影響,對(duì)處理后及未處理的柞木板材均在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上作了抗彎強(qiáng)度測(cè)試,其結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)柞木板材在進(jìn)行了蒸汽爆破預(yù)處理后,其力學(xué)性能并未下降,表中各數(shù)值上的差異是木材本身的變異性的結(jié)果。3蒸汽爆破處理(1)蒸汽爆破處理板材與未爆破材相比,無(wú)論是柞木還是紅櫟,木材的橫向氣體滲透性均得到了不同程度的提高。(2)橫向氣體滲透性隨著蒸汽爆破壓力和爆破溫度的升高而提高。當(dāng)蒸汽爆破溫度和壓力一定時(shí),爆破次數(shù)增加,木材的橫向氣體滲透性也隨之增加。無(wú)論是蒸汽爆破處理板材還是未爆破處理的板材,均表現(xiàn)為表層的橫向氣體