3種桉樹(shù)木材干燥皺縮特性和干燥基準(zhǔn)的研究

3種桉樹(shù)木材干燥皺縮特性和干燥基準(zhǔn)的研究

經(jīng)過(guò)近120年的引進(jìn)、栽培和造林，我國(guó)的桉樹(shù)人工林進(jìn)入了成熟發(fā)展階段。目前，我國(guó)桉樹(shù)種植面積達(dá)到260萬(wàn)公頃，先后向社會(huì)提供了大量桉樹(shù)種植木材。怎樣高附加值地利用這些木材,有關(guān)專(zhuān)家提出從過(guò)去的纖維利用向?qū)嶓w木材利用轉(zhuǎn)化的技術(shù)戰(zhàn)略。而在研究桉樹(shù)人工林木材實(shí)體利用的過(guò)程中,遇到了木材干燥技術(shù)上的問(wèn)題。近年來(lái),我國(guó)學(xué)者王喜明、苗平、李賢軍、張耀麗、吳義強(qiáng)對(duì)桉樹(shù)木材的皺縮進(jìn)行了研究。但是由于桉樹(shù)的速生性,其材性變異極大,因此需分別研究每一種桉樹(shù)木材的干燥皺縮特性,并制定相應(yīng)的干燥基準(zhǔn)和工藝。木材的干燥過(guò)程是木材中水分蒸發(fā)的過(guò)程,由于木材中各種水分和木材的結(jié)合關(guān)系不同,各階段木材中水分的性質(zhì)就不同,而與此對(duì)應(yīng)的木材的性質(zhì)就不同。因此,在木材的干燥過(guò)程中我們要合理地控制木材中水分的蒸發(fā)過(guò)程,以做到在保證干燥質(zhì)量的前提下,盡量提高干燥速度。那么如何合理地控制水分蒸發(fā)過(guò)程呢?通常的做法是根據(jù)木材的性質(zhì)、規(guī)格和含水率,控制木材中水分蒸發(fā)的強(qiáng)度。干燥基準(zhǔn)就是根據(jù)干燥時(shí)間和木材狀態(tài)(含水率、應(yīng)力)的變化而編制的干燥介質(zhì)溫度和濕度變化的程序表,在實(shí)際干燥過(guò)程中,正確執(zhí)行這個(gè)程序表,就可以合理地控制木材的干燥過(guò)程,從而保證木材的干燥質(zhì)量。木材干燥基準(zhǔn)是木材在干燥過(guò)程中的操作依據(jù),在對(duì)1種新樹(shù)種成材進(jìn)行干燥時(shí),僅從宏觀構(gòu)造還無(wú)法判斷其干燥特性。為了獲得該樹(shù)種的干燥規(guī)律,通常要以低溫高濕為起點(diǎn)的干燥條件對(duì)該樹(shù)種進(jìn)行多次探索性試驗(yàn),這樣,不僅需要花費(fèi)很多時(shí)間,而且用料多,此外難免因人而異,變化較大?！鞍俣仍囼?yàn)法”可以克服以上缺點(diǎn)。本文對(duì)產(chǎn)自廣西壯族自治區(qū)的尾巨桉(E.urophylla×grandis)尾圓桉(E.urophylla×E.teredicornis)和大花序桉(E.cloeziane)等3種人工林桉樹(shù)木材的干燥皺縮特性和干燥基準(zhǔn)進(jìn)行了研究,以期為上述3種人工林桉樹(shù)木材干燥工藝的制定提供理論依據(jù)。1材料和測(cè)試方法1.1弦切板試材本試驗(yàn)所采用3種桉木(尾巨桉、尾圓桉、大花序桉)均采自廣西南寧東門(mén)林場(chǎng),鋸制成規(guī)格尺寸為200mm×100mm×20mm的弦切板試材,并放置于水池中浸泡至飽和狀態(tài),然后進(jìn)行百度試驗(yàn)法測(cè)定試驗(yàn)。試材條件如表1所示:1.2試驗(yàn)階段20h將3種桉木鋸制成規(guī)格為200mm×100mm×20mm的試件,標(biāo)志后置于水池中浸泡至飽和;其中尾巨桉標(biāo)志為U,尾圓桉標(biāo)志為U×T,大花序桉標(biāo)志為CL。第1次試驗(yàn)選取尾巨桉,從水池中取出5塊尾巨桉,并將其標(biāo)記為U1-U5,進(jìn)行初重測(cè)量,并觀察其原始缺陷。然后置于自動(dòng)控制干燥箱中進(jìn)行烘干,將干燥溫度控制在100℃。初始階段,每隔1h進(jìn)行1次測(cè)量,連續(xù)測(cè)量?jī)纱魏?每隔2h測(cè)量1次。在此期間主要是稱(chēng)重、觀察和記錄干燥初期階段發(fā)生的端裂和表裂情況,并根據(jù)有關(guān)資料的標(biāo)準(zhǔn)確定初期開(kāi)裂的級(jí)別。約8h后,當(dāng)裂縫開(kāi)始愈合時(shí),既延長(zhǎng)測(cè)量間隔時(shí)間,改為每6h測(cè)量1次,直至含水率小于1%為準(zhǔn)。然后將試件從長(zhǎng)度方向的中央鋸開(kāi),觀察和測(cè)量其內(nèi)裂和皺縮情況。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)確定試材內(nèi)部開(kāi)裂和皺縮或截面變形的級(jí)別。另外2種桉木的試驗(yàn)方法與尾巨桉相同。經(jīng)過(guò)對(duì)照、分析與計(jì)算得出了3種桉木的初含水率(Ua)、初期開(kāi)裂(D1)、皺縮(D2)和內(nèi)部開(kāi)裂(D3)的等級(jí)。根據(jù)這4個(gè)指標(biāo)的等級(jí)由相關(guān)資料上的圖表找出3種桉木干燥時(shí)應(yīng)該采用的溫度基準(zhǔn)號(hào)、干濕球溫度差基準(zhǔn)號(hào),皺縮特性指標(biāo)的測(cè)量參考作者2000年發(fā)表論文中的方法。根據(jù)此3種木材干燥應(yīng)采用的溫度、干濕球溫度差基準(zhǔn)號(hào)查相關(guān)圖表即得到桉木干燥應(yīng)采用的溫度、干濕球溫度差基準(zhǔn),列表。根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪出3種桉木材的干燥曲線圖。最后要進(jìn)行3種桉木材干燥時(shí)間的估算,具體方法是用百度試驗(yàn)中試材含水率降至1%所需時(shí)間和缺陷程度,選定的干燥初期干濕球溫度差,并查干燥時(shí)間估算圖,得出兩個(gè)干燥時(shí)間(天數(shù)),取其平均值,即為厚2.5cm成材在窯干條件下干燥至含水率小于1%時(shí)需要的干燥時(shí)間(天數(shù))。最后列出3種桉木的干燥基準(zhǔn)表。2干燥基準(zhǔn)的制定經(jīng)連續(xù)試驗(yàn),測(cè)得3種桉木百度試驗(yàn)過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù),根據(jù)這些數(shù)據(jù)定出了初期開(kāi)裂、皺縮及內(nèi)部開(kāi)裂等級(jí),列于表2、表3、表4,得出的木材干燥特性見(jiàn)表5。同時(shí),繪出了干燥曲線圖,如圖1。干燥基準(zhǔn):由試驗(yàn)所得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定等級(jí)后得出尾巨桉、尾圓桉、大花序桉的溫度基準(zhǔn)號(hào)與干濕球溫度差基準(zhǔn)號(hào),最后制定的干燥基準(zhǔn)見(jiàn)表5。百度試驗(yàn)的綜合干燥特性主要有初期開(kāi)裂、內(nèi)部開(kāi)裂及截面變形(皺縮)等3項(xiàng)指標(biāo),同時(shí)還應(yīng)考慮干燥速度等因素的影響。多方面因素共同考慮才能制定出1個(gè)科學(xué)合理的干燥基準(zhǔn)。這種方法制定出的干燥基準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)外許多廠家的生產(chǎn)實(shí)踐相符,在不斷的修正與補(bǔ)充下,百度試驗(yàn)法必將更加與事實(shí)相符合,在編制干燥基準(zhǔn)中將發(fā)揮重大作用。3木材細(xì)胞褶皺收縮的形成機(jī)制和發(fā)生條件3.1木材細(xì)胞形態(tài)的影響在纖維飽和點(diǎn)以上,處于飽水狀態(tài)的木材細(xì)胞,當(dāng)細(xì)胞腔內(nèi)的自由水經(jīng)由紋孔膜等微細(xì)孔隙向外移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的毛細(xì)管張力的和大于木材細(xì)胞橫紋極限抗壓強(qiáng)度時(shí),木材細(xì)胞發(fā)生皺縮,在下一步的干燥過(guò)程中,干燥應(yīng)力會(huì)使皺縮細(xì)胞的皺縮程度加劇。此機(jī)理認(rèn)為:毛細(xì)管張力和干燥應(yīng)力都是木材細(xì)胞產(chǎn)生皺縮的源動(dòng)力,但毛細(xì)管張力的作用效果要大于干燥應(yīng)力,同時(shí)也決定了木材細(xì)胞皺縮具有選擇性(滿足自身基本條件),可破壞性(能夠通過(guò)工藝措施破壞細(xì)胞的基本條件),可恢復(fù)性(在高溫和高濕條件下,大部分皺縮細(xì)胞可以恢復(fù))。木材皺縮的基本條件包括木材細(xì)胞自身基本條件和由干燥工藝形成的外界條件,木材細(xì)胞的自身基本條件是:(1)細(xì)胞腔內(nèi)充滿水而無(wú)空氣泡;(2)木材細(xì)胞的氣密性好;(3)試材的密度低,主要是要求木材強(qiáng)度小。(4)紋孔膜上微孔直徑要足夠小:(5)胞壁的潤(rùn)濕性要好。外界條件為:(1)干燥溫度高;(2)對(duì)木材細(xì)胞自身?xiàng)l件無(wú)破壞性處理(如預(yù)凍處理和汽蒸處理等)。木材細(xì)胞在滿足自身皺縮條件的基礎(chǔ)上,在由干燥工藝所構(gòu)成的外界條件的作用下,發(fā)生皺縮。3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析皺縮是人工林桉樹(shù)木材干燥過(guò)程中發(fā)生的最嚴(yán)重的干燥缺陷,并與內(nèi)裂同步發(fā)生?？锤稍锖箬駱?shù)板材的外觀,表面凸凹不平,橫斷面變?yōu)椴灰?guī)則圖形,且局部變薄,這種變化沒(méi)有規(guī)律;從微觀上觀察木材的橫斷面,木材細(xì)胞被壓扁,但不是所有的細(xì)胞。從發(fā)生皺縮的板材的宏觀和微觀表現(xiàn)可知,木材細(xì)胞皺縮具有較強(qiáng)的選擇性。將試件從長(zhǎng)度方向鋸開(kāi),在記錄內(nèi)部開(kāi)裂的同時(shí),測(cè)量板材的皺縮深度、皺縮因子和體積收縮率差等三項(xiàng)皺縮特性指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果表明:尾巨桉木材比尾圓桉和大花序桉木材更容易發(fā)生皺縮,皺縮的最高等級(jí)達(dá)到4級(jí)。探詢?nèi)斯ち骤駱?shù)木材發(fā)生皺縮的原因,作者認(rèn)為主要有木材構(gòu)造和干燥工藝兩方面,木材的構(gòu)造主要影響水分移動(dòng)的途徑,特別是紋孔膜上微孔的大小直接決定水分移動(dòng)時(shí)形成的彎月面的半徑;干燥工藝決定木材中水分移動(dòng)的速度和干燥應(yīng)力的大小。彎月面的半徑、水分移動(dòng)速度和干燥應(yīng)力的大小是木材細(xì)胞發(fā)生皺縮的決定因素。從3種桉樹(shù)木材的超微構(gòu)造中可知,尾巨桉木材的管間紋孔上有沉積物,導(dǎo)管中有侵填體,木射線中有內(nèi)含物,尾圓桉木材的木射線中有沉積物,環(huán)管管胞中有沉積物,導(dǎo)管中有侵填體,導(dǎo)管與木纖維間紋孔有附物,大花序桉木材中環(huán)管管胞上紋孔有附物,木纖維上紋孔有附物。上述木材組成單元是水分移動(dòng)的主體,而這些主體中含有不同數(shù)量和性質(zhì)的沉積物、附物或侵填體,這些物質(zhì)將使水分移動(dòng)的途徑堵塞或變窄,助長(zhǎng)了木材細(xì)胞皺縮的發(fā)生。3.3尾巨桉木材細(xì)胞形態(tài)張力和干燥應(yīng)力對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響尾巨桉木材的氣干密度為0.663g/cm3,在常溫氣干狀態(tài)下木材橫紋局部抗壓強(qiáng)度為7.25MPa,木材的含水率和溫度對(duì)木材的強(qiáng)度有很大的影響,根據(jù)木材細(xì)胞的皺縮機(jī)理,當(dāng)作用在木材細(xì)胞上的毛細(xì)管張力大于木材細(xì)胞的橫紋抗壓強(qiáng)度時(shí),木材細(xì)胞才能發(fā)生皺縮,而且在木材的干燥過(guò)程中,由于木材發(fā)生干縮,毛細(xì)管直徑在減少,含水率在降低,因此木材的強(qiáng)度在增加,毛細(xì)管張力也在增加,這樣細(xì)胞發(fā)生皺縮的條件就不一樣。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,得出尾巨桉木材細(xì)胞在不同溫度和含水率狀態(tài)下的橫紋局部抗壓強(qiáng)度。根據(jù)皺縮的毛細(xì)管張力原理,計(jì)算尾巨桉木材細(xì)胞發(fā)生皺縮時(shí)所具備的最小毛細(xì)管半徑,見(jiàn)表6。皺縮機(jī)理認(rèn)為毛細(xì)管張力和干燥應(yīng)力是木材細(xì)胞發(fā)生皺縮的主要?jiǎng)恿?在干燥前期以毛細(xì)管張力為主,在干燥后期以干燥應(yīng)力為主,毛細(xì)管張力和干燥應(yīng)力對(duì)細(xì)胞皺縮的貢獻(xiàn)率分別為3/4和1/4(王喜明,2001)。根據(jù)毛細(xì)管張力的計(jì)算公式P=2δ/r,式中P為毛細(xì)管張力,δ為水的表面張力,r為毛細(xì)管半徑,可知,毛細(xì)管張力的大小與水的表面張力成正比,與毛細(xì)管半徑成反比,在木材的干燥過(guò)程中,由于干燥室內(nèi)的溫度在不斷變化,因此,木材中自由水的表面張力會(huì)隨著干燥溫度的升高而降低,如僅從這一點(diǎn)看,毛細(xì)管張力會(huì)減小,原來(lái)具備同樣大小毛細(xì)管的細(xì)胞不會(huì)發(fā)生皺縮,但與此同時(shí),木材的抗壓強(qiáng)度會(huì)減少,其減少的幅度比表面張力大。因此總體上,毛細(xì)管的直徑會(huì)隨著干燥溫度的升高而增加,即產(chǎn)生皺縮的細(xì)胞會(huì)增多,這就是為什么干燥溫度越高,木材越容易產(chǎn)生皺縮。表6可見(jiàn),當(dāng)干燥溫度為20℃時(shí),毛細(xì)管半徑小于0.034μm的尾巨桉木材細(xì)胞能夠產(chǎn)生皺縮,當(dāng)溫度為100℃時(shí),毛細(xì)管半徑增加至0.135μm,毛細(xì)管半徑小于此值的木材細(xì)胞都具備了皺縮的條件,可見(jiàn)隨著干燥介質(zhì)溫度的增加,具備皺縮條件的木材細(xì)胞數(shù)量在增加,木材皺縮的程度增加。43桉樹(shù)的褶皺縮特性,主要有木材的實(shí)木熱3種桉木干燥皺縮特性比較表見(jiàn)表7,表中可見(jiàn),3種桉木的初期開(kāi)裂等級(jí)是一樣的,說(shuō)明初期干燥溫度應(yīng)該一樣;截面變形與木材的皺縮特性有關(guān),尾巨桉木材的皺縮缺陷最嚴(yán)重,尾圓桉與大花序桉的皺縮特性一樣;尾巨桉的內(nèi)部開(kāi)裂等級(jí)最大,因此在干燥后期要降低干燥溫度,減少干濕球溫度差,增加中后期處理次數(shù)和時(shí)間。5桉樹(shù)木材存在的實(shí)物特性尾巨桉、尾圓桉和大花序桉木材具有不同的干燥皺縮特性,其中尾巨桉木材比尾圓桉和大花序桉木材更容易