3种桉树木材干燥皱缩特性和干燥基准的研究

3种桉树木材干燥皱缩特性和干燥基准的研究

经过近120年的引进、栽培和造林，我国的桉树人工林进入了成熟发展阶段。目前，我国桉树种植面积达到260万公顷，先后向社会提供了大量桉树种植木材。怎样高附加值地利用这些木材,有关专家提出从过去的纤维利用向实体木材利用转化的技术战略。而在研究桉树人工林木材实体利用的过程中,遇到了木材干燥技术上的问题。近年来,我国学者王喜明、苗平、李贤军、张耀丽、吴义强对桉树木材的皱缩进行了研究。但是由于桉树的速生性,其材性变异极大,因此需分别研究每一种桉树木材的干燥皱缩特性,并制定相应的干燥基准和工艺。木材的干燥过程是木材中水分蒸发的过程,由于木材中各种水分和木材的结合关系不同,各阶段木材中水分的性质就不同,而与此对应的木材的性质就不同。因此,在木材的干燥过程中我们要合理地控制木材中水分的蒸发过程,以做到在保证干燥质量的前提下,尽量提高干燥速度。那么如何合理地控制水分蒸发过程呢?通常的做法是根据木材的性质、规格和含水率,控制木材中水分蒸发的强度。干燥基准就是根据干燥时间和木材状态(含水率、应力)的变化而编制的干燥介质温度和湿度变化的程序表,在实际干燥过程中,正确执行这个程序表,就可以合理地控制木材的干燥过程,从而保证木材的干燥质量。木材干燥基准是木材在干燥过程中的操作依据,在对1种新树种成材进行干燥时,仅从宏观构造还无法判断其干燥特性。为了获得该树种的干燥规律,通常要以低温高湿为起点的干燥条件对该树种进行多次探索性试验,这样,不仅需要花费很多时间,而且用料多,此外难免因人而异,变化较大。“百度试验法”可以克服以上缺点。本文对产自广西壮族自治区的尾巨桉(E.urophylla×grandis)尾圆桉(E.urophylla×E.teredicornis)和大花序桉(E.cloeziane)等3种人工林桉树木材的干燥皱缩特性和干燥基准进行了研究,以期为上述3种人工林桉树木材干燥工艺的制定提供理论依据。1材料和测试方法1.1弦切板试材本试验所采用3种桉木(尾巨桉、尾圆桉、大花序桉)均采自广西南宁东门林场,锯制成规格尺寸为200mm×100mm×20mm的弦切板试材,并放置于水池中浸泡至饱和状态,然后进行百度试验法测定试验。试材条件如表1所示:1.2试验阶段20h将3种桉木锯制成规格为200mm×100mm×20mm的试件,标志后置于水池中浸泡至饱和;其中尾巨桉标志为U,尾圆桉标志为U×T,大花序桉标志为CL。第1次试验选取尾巨桉,从水池中取出5块尾巨桉,并将其标记为U1-U5,进行初重测量,并观察其原始缺陷。然后置于自动控制干燥箱中进行烘干,将干燥温度控制在100℃。初始阶段,每隔1h进行1次测量,连续测量两次后,每隔2h测量1次。在此期间主要是称重、观察和记录干燥初期阶段发生的端裂和表裂情况,并根据有关资料的标准确定初期开裂的级别。约8h后,当裂缝开始愈合时,既延长测量间隔时间,改为每6h测量1次,直至含水率小于1%为准。然后将试件从长度方向的中央锯开,观察和测量其内裂和皱缩情况。根据有关文献确定试材内部开裂和皱缩或截面变形的级别。另外2种桉木的试验方法与尾巨桉相同。经过对照、分析与计算得出了3种桉木的初含水率(Ua)、初期开裂(D1)、皱缩(D2)和内部开裂(D3)的等级。根据这4个指标的等级由相关资料上的图表找出3种桉木干燥时应该采用的温度基准号、干湿球温度差基准号,皱缩特性指标的测量参考作者2000年发表论文中的方法。根据此3种木材干燥应采用的温度、干湿球温度差基准号查相关图表即得到桉木干燥应采用的温度、干湿球温度差基准,列表。根据所得数据绘出3种桉木材的干燥曲线图。最后要进行3种桉木材干燥时间的估算,具体方法是用百度试验中试材含水率降至1%所需时间和缺陷程度,选定的干燥初期干湿球温度差,并查干燥时间估算图,得出两个干燥时间(天数),取其平均值,即为厚2.5cm成材在窑干条件下干燥至含水率小于1%时需要的干燥时间(天数)。最后列出3种桉木的干燥基准表。2干燥基准的制定经连续试验,测得3种桉木百度试验过程中的各项数据,根据这些数据定出了初期开裂、皱缩及内部开裂等级,列于表2、表3、表4,得出的木材干燥特性见表5。同时,绘出了干燥曲线图,如图1。干燥基准:由试验所得到的各项数据进行评定等级后得出尾巨桉、尾圆桉、大花序桉的温度基准号与干湿球温度差基准号,最后制定的干燥基准见表5。百度试验的综合干燥特性主要有初期开裂、内部开裂及截面变形(皱缩)等3项指标,同时还应考虑干燥速度等因素的影响。多方面因素共同考虑才能制定出1个科学合理的干燥基准。这种方法制定出的干燥基准与国内外许多厂家的生产实践相符,在不断的修正与补充下,百度试验法必将更加与事实相符合,在编制干燥基准中将发挥重大作用。3木材细胞褶皱收缩的形成机制和发生条件3.1木材细胞形态的影响在纤维饱和点以上,处于饱水状态的木材细胞,当细胞腔内的自由水经由纹孔膜等微细孔隙向外移动时所产生的毛细管张力的和大于木材细胞横纹极限抗压强度时,木材细胞发生皱缩,在下一步的干燥过程中,干燥应力会使皱缩细胞的皱缩程度加剧。此机理认为:毛细管张力和干燥应力都是木材细胞产生皱缩的源动力,但毛细管张力的作用效果要大于干燥应力,同时也决定了木材细胞皱缩具有选择性(满足自身基本条件),可破坏性(能够通过工艺措施破坏细胞的基本条件),可恢复性(在高温和高湿条件下,大部分皱缩细胞可以恢复)。木材皱缩的基本条件包括木材细胞自身基本条件和由干燥工艺形成的外界条件,木材细胞的自身基本条件是:(1)细胞腔内充满水而无空气泡;(2)木材细胞的气密性好;(3)试材的密度低,主要是要求木材强度小。(4)纹孔膜上微孔直径要足够小:(5)胞壁的润湿性要好。外界条件为:(1)干燥温度高;(2)对木材细胞自身条件无破坏性处理(如预冻处理和汽蒸处理等)。木材细胞在满足自身皱缩条件的基础上,在由干燥工艺所构成的外界条件的作用下,发生皱缩。3.2实验设计与结果分析皱缩是人工林桉树木材干燥过程中发生的最严重的干燥缺陷,并与内裂同步发生。看干燥后桉树板材的外观,表面凸凹不平,横断面变为不规则图形,且局部变薄,这种变化没有规律;从微观上观察木材的横断面,木材细胞被压扁,但不是所有的细胞。从发生皱缩的板材的宏观和微观表现可知,木材细胞皱缩具有较强的选择性。将试件从长度方向锯开,在记录内部开裂的同时,测量板材的皱缩深度、皱缩因子和体积收缩率差等三项皱缩特性指标,试验结果表明:尾巨桉木材比尾圆桉和大花序桉木材更容易发生皱缩,皱缩的最高等级达到4级。探询人工林桉树木材发生皱缩的原因,作者认为主要有木材构造和干燥工艺两方面,木材的构造主要影响水分移动的途径,特别是纹孔膜上微孔的大小直接决定水分移动时形成的弯月面的半径;干燥工艺决定木材中水分移动的速度和干燥应力的大小。弯月面的半径、水分移动速度和干燥应力的大小是木材细胞发生皱缩的决定因素。从3种桉树木材的超微构造中可知,尾巨桉木材的管间纹孔上有沉积物,导管中有侵填体,木射线中有内含物,尾圆桉木材的木射线中有沉积物,环管管胞中有沉积物,导管中有侵填体,导管与木纤维间纹孔有附物,大花序桉木材中环管管胞上纹孔有附物,木纤维上纹孔有附物。上述木材组成单元是水分移动的主体,而这些主体中含有不同数量和性质的沉积物、附物或侵填体,这些物质将使水分移动的途径堵塞或变窄,助长了木材细胞皱缩的发生。3.3尾巨桉木材细胞形态张力和干燥应力对其抗压强度的影响尾巨桉木材的气干密度为0.663g/cm3,在常温气干状态下木材横纹局部抗压强度为7.25MPa,木材的含水率和温度对木材的强度有很大的影响,根据木材细胞的皱缩机理,当作用在木材细胞上的毛细管张力大于木材细胞的横纹抗压强度时,木材细胞才能发生皱缩,而且在木材的干燥过程中,由于木材发生干缩,毛细管直径在减少,含水率在降低,因此木材的强度在增加,毛细管张力也在增加,这样细胞发生皱缩的条件就不一样。根据计算结果,得出尾巨桉木材细胞在不同温度和含水率状态下的横纹局部抗压强度。根据皱缩的毛细管张力原理,计算尾巨桉木材细胞发生皱缩时所具备的最小毛细管半径,见表6。皱缩机理认为毛细管张力和干燥应力是木材细胞发生皱缩的主要动力,在干燥前期以毛细管张力为主,在干燥后期以干燥应力为主,毛细管张力和干燥应力对细胞皱缩的贡献率分别为3/4和1/4(王喜明,2001)。根据毛细管张力的计算公式P=2δ/r,式中P为毛细管张力,δ为水的表面张力,r为毛细管半径,可知,毛细管张力的大小与水的表面张力成正比,与毛细管半径成反比,在木材的干燥过程中,由于干燥室内的温度在不断变化,因此,木材中自由水的表面张力会随着干燥温度的升高而降低,如仅从这一点看,毛细管张力会减小,原来具备同样大小毛细管的细胞不会发生皱缩,但与此同时,木材的抗压强度会减少,其减少的幅度比表面张力大。因此总体上,毛细管的直径会随着干燥温度的升高而增加,即产生皱缩的细胞会增多,这就是为什么干燥温度越高,木材越容易产生皱缩。表6可见,当干燥温度为20℃时,毛细管半径小于0.034μm的尾巨桉木材细胞能够产生皱缩,当温度为100℃时,毛细管半径增加至0.135μm,毛细管半径小于此值的木材细胞都具备了皱缩的条件,可见随着干燥介质温度的增加,具备皱缩条件的木材细胞数量在增加,木材皱缩的程度增加。43桉树的褶皱缩特性,主要有木材的实木热3种桉木干燥皱缩特性比较表见表7,表中可见,3种桉木的初期开裂等级是一样的,说明初期干燥温度应该一样;截面变形与木材的皱缩特性有关,尾巨桉木材的皱缩缺陷最严重,尾圆桉与大花序桉的皱缩特性一样;尾巨桉的内部开裂等级最大,因此在干燥后期要降低干燥温度,减少干湿球温度差,增加中后期处理次数和时间。5桉树木材存在的实物特性尾巨桉、尾圆桉和大花序桉木材具有不同的干燥皱缩特性,其中尾巨桉木材比尾圆桉和大花序桉木材更容易