黑木相思木材干燥特性及干燥工藝制定

周 凡，周永東，高 鑫，付宗營，侯俊峰，翁 翔，林韶輝

（1.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091；2.韶關(guān)市國有河口林場，廣東 韶關(guān) 512532）

黑木相思Acacia melanoxylon為含羞草科Mimosaceae金合歡屬Acacia樹種，原產(chǎn)澳大利亞東南部及塔斯馬尼亞等地區(qū)，后被許多國家和地區(qū)先后引種成功。由于生態(tài)效益好，生長適應(yīng)性強，速生性強，材質(zhì)好，經(jīng)濟價值高[1-7]，20世紀90年代黑木相思作為優(yōu)材、改土樹種引入中國，在廣東、廣西、福建、海南等地大量推廣種植[6]，是中國南方引種的主要用材樹種之一。隨著市場需求的增大，近年來黑木相思種植面積還在逐漸擴大[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，2015年起，黑木相思無性系的造林面積正以超過666.7 hm2·a-1的速度發(fā)展[7]，其推廣栽培及資源發(fā)展前景巨大。目前國內(nèi)有關(guān)黑木相思的研究主要集中在引種栽培、苗木選育、生長特性等方面，有關(guān)實木加工應(yīng)用方面的研究尚且缺乏。木材干燥是合理高效利用木材的重要前提，是木材加工行業(yè)生產(chǎn)過程不可缺少的重要工序[8-9]。百度試驗法是常用的制定木材干燥基準的方法，使用材料少，操作簡便，可用于新材種干燥基準的快速擬定[10-12]和不同類型材種木材干燥特性的快速比較[13]。本研究針對中國人工種植的黑木相思木材，利用百度試驗法研究其基礎(chǔ)干燥特性，采用實驗室干燥設(shè)備探索并優(yōu)化鋸材的干燥工藝，以期編制適合25 mm厚黑木相思鋸材的常規(guī)干燥工藝基準，為黑木相思木材的實際開發(fā)和利用提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究材料

黑木相思木材采集自廣東省韶關(guān)市國有河口林場。百度試驗用試樣，選擇無缺陷的弦切板生材，于板材中間部位取材，兩端面是新鋸開截面，四面刨光，尺寸為200 mm×100 mm×20 mm，試件數(shù)量12塊，初含水率為(109.31±6.16)%。干燥工藝試驗用鋸材用生材直接加工成尺寸為900 mm×120 mm×25 mm 的板材，初含水率為(97.76±17.04)%。

1.2 研究方法

1.2.1 百度試驗法 百度試驗法參照文獻[14]。試件加工完畢立即標明測量點位置，測量尺寸(0.01 mm)和質(zhì)量(0.01 g)。為使試件受熱和通風均勻，將其沿紋理方向水平豎立放置于鼓風干燥箱中，在(100±2) ℃條件下干燥。干燥過程定時取出稱量并記錄初期開裂(端裂、端表裂、表裂、貫通裂)的出現(xiàn)及發(fā)展情況。干燥初期每隔1～2 h觀測1次，當裂紋發(fā)展到最大時，記錄試件初期開裂情況；當裂紋開始愈合時，觀測間隔延長至4～8 h或更長。每次觀測同時稱量，待2次測量基本相同時認為試件達到絕干，停止干燥。待試件冷卻后取出平放在平板上，使其3個角著板，量其另一角偏離平板的高度作為扭曲變形值。在原標記的各測點測量試件的尺寸，計算干縮特性。試樣稱量后作為試樣最終質(zhì)量，后在其中心位置沿長度方向截取15.00 mm試片，用烘干法測定其含水率作為試件的最終含水率，計算試件絕干質(zhì)量，從而推算干燥過程中試件含水率變化。同時檢查新截斷面的內(nèi)裂情況，測量側(cè)邊厚度與鄰邊下凹處厚度差為截面變形值。

1.2.2 干燥工藝 采用HD 74/TA II型小型木材干燥試驗機通過翅片管式加熱器加熱(0.6 MPa蒸汽)，噴蒸管噴蒸加濕；通過變頻器調(diào)節(jié)控制材堆內(nèi)風速，風速范圍為0.5～5.0 m·s-1。干燥機的加熱、加濕方式與企業(yè)生產(chǎn)用的常規(guī)干燥設(shè)備一致；通風方式與頂風機型干燥設(shè)備一致。干燥工藝試驗每次裝材48塊，材堆尺寸900 mm×800 mm×800 mm，材堆頂部放置不銹鋼壓重，單位面積壓重為248 kg·m-2，風速為1.5 m·s-1，與企業(yè)干燥生產(chǎn)用風速接近。干燥過程通過干燥試驗機控制系統(tǒng)進行，按預(yù)設(shè)干燥基準自動控制干燥機內(nèi)干濕球溫度，當含水率達到當前干燥階段含水率終點時，控制進入下一階段的干燥工藝過程。按照LY/T 1068-2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》規(guī)定，選擇6塊檢驗板，定時取出稱量，推算干燥過程中含水率，并記錄干燥缺陷變化情況。依照GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》，檢測全部干燥鋸材的可見干燥缺陷，對6塊檢驗板和從材堆中隨機抽取的6塊鋸材一起檢測最終含水率、分層含水率、干燥殘余應(yīng)力等指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材干燥特性

統(tǒng)計黑木相思木材百度試驗干燥缺陷和干燥時間，依據(jù)百度試驗法的分級標準[15]評定試件的干燥特性等級，具體結(jié)果見表1。

表1 黑木相思木材百度試驗干燥特性及等級Table 1 Grades of drying defects and drying time in 100 ℃ test for A.melanoxylon wood

2.1.1 初期開裂 試件初含水率高，干燥1 h時，25.00%試件的端面出現(xiàn)細微裂紋；干燥2 h，所有試件端面均出現(xiàn)細微裂紋，16.67%試件開始出現(xiàn)端表裂，有2塊試件各產(chǎn)生1條貫通性裂紋；干燥3 h時，66.67%試件出現(xiàn)端表裂。隨著干燥時間延長，試件含水率繼續(xù)降低，試件裂紋長度及寬度繼續(xù)發(fā)展，裂紋數(shù)量增多。干燥7 h時，裂紋集中出現(xiàn)，此時試件平均含水率約為55.00%，之后初期開裂緩慢發(fā)展并趨于穩(wěn)定，干燥14 h初期開裂達到最大值，此時試件平均含水率約為33.00%。高溫低濕環(huán)境下，高初含水率的試件迅速排出表層水分，表面與內(nèi)部含水率梯度過大，表層受到的拉應(yīng)力超出木材的抗拉強度，形成初期開裂[12]。隨著干燥繼續(xù)進行，木材內(nèi)部開始收縮，應(yīng)力反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了內(nèi)拉外壓的應(yīng)力分布，木材初期開裂逐漸閉合[12,16]。干燥約35 h，所有初期裂紋基本愈合。觀察發(fā)現(xiàn)：黑木相思木材初期開裂主要為端裂和端表裂，且所有端裂和端表裂愈合前寬度最大值小于1.00 mm，長度最大值小于5.00 cm。按照百度試驗分級標準，試件初期開裂等級為2～4級，其中2級占83.33%，4級占16.67%；以最低干燥缺陷原則考慮初期開裂等級為4級。初期開裂形成的主要原因是干燥初期的干濕球溫度差過大、溫度過高。因此在制定干燥基準時，干燥初期的干濕球溫度差及溫度不宜設(shè)定太高，有利于控制干燥速度，避免開裂，保證干燥質(zhì)量。

2.1.2 內(nèi)部開裂 一般來說，內(nèi)裂是一種較嚴重的干燥缺陷。觀察發(fā)現(xiàn)：試件干燥后期含水率變化平緩，木材內(nèi)水分排除較為均勻，木材內(nèi)部收縮均勻，因此實驗中所有試件均未產(chǎn)生內(nèi)部開裂，判定內(nèi)裂等級均為1級。

2.1.3 截面變形 試件的截面變形值為0.18～0.86 mm，根據(jù)百度試驗法的分級標準判定變形等級為1～2級，其中1級占41.67%，2級占58.33%；綜合考慮截面變形等級為2級。截面變形由干燥過程中木材表層與內(nèi)層水分差異及表層硬化引起[17-18]。黑木相思材質(zhì)較均勻，木材表層及內(nèi)層收縮差異不大，因此截面變形程度較輕。截面變形反映木材的塑性特征，主要是外層的殘余變形，是干燥終了時木材中殘余應(yīng)力的根源。產(chǎn)生截面變形的主要原因是干燥初期溫度過高、濕度過低[12]。干燥過程中可通過降低干燥初期溫度、增加濕度來減少截面變形。

2.1.4 扭曲變形 試件的扭曲變形值為0.40～4.00 mm，變形等級為1～3級，其中1級占25.00%，2級占25.00%，3級占50.00%；綜合考慮扭曲變形等級為3級。試件干燥過程中出現(xiàn)的比較明顯的扭曲變形，可能是由板材紋理不通直等導致板材各部位的干縮差異引起[15,19]。干燥過程中可通過終了處理或以機械抑制的方法在材堆頂部壓重物減小扭曲變形[10]。

2.1.5 干縮特性 木材干縮特性可反映木材的開裂和變形情況。由百度試驗法測定的干縮特性(以干縮時含水率30%計算)可知(表2)：試件的平均弦向干縮率為5.06%，平均徑向干縮率2.95%，弦向和徑向的差異干縮值為1.75。差異干縮反映木材干燥過程中是否容易翹曲和開裂[11]。根據(jù)材性分級標準[20]，黑木相思的差異干縮屬“小”。試件的平均弦向干縮系數(shù)為0.169%，徑向干縮系數(shù)為0.098%，體積干縮系數(shù)為0.281%，體積干縮系數(shù)屬“很小”。干縮特性結(jié)果表明：黑木相思木材在干燥時產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢相對較小[20]。由表2所示：試件基本密度、氣干密度(含水率15%)和絕干密度均值分別為0.518 g·cm-3、0.620 g·cm-3和0.562 g·cm-3；黑木相思氣干密度介于0.551～0.750 g·cm-3范圍，根據(jù)木材密度的5個品質(zhì)劃分級別[21]，屬于中等級別。

表2 百度試驗測定黑木相思木材干縮特性和密度Table 2 Shrinkage characteristics and densities of A.melanoxylon wood by 100 ℃ test

2.1.6 干燥速度 百度試驗過程中試件含水率變化見圖1。試件從平均初含水率109.31%干至30.00%，平均用時約14.7 h，干燥速率為5.40%·h-1；從含水率30.00%干至5.00%時，平均用時約16.4 h，干燥速率為1.52%·h-1。干燥后期試件干燥速率小于干燥前期，用時約67.2 h，此后試件平均干燥速率近乎為零。在劇烈的外部干燥環(huán)境中，干燥速率取決于可供蒸發(fā)的水分量以及水分在木材內(nèi)部移動的難易程度[13]。干燥前期主要是木材中的自由水在毛細管張力作用下，由內(nèi)部迅速移動至表層蒸發(fā)；干燥中、后期，干燥由木材中吸著水蒸發(fā)造成，水蒸發(fā)所需動力增大，干燥速率降低[22]。在保證干燥質(zhì)量的基礎(chǔ)上，干燥過程應(yīng)逐步提高干濕球溫差，可提高排除吸著水的能量[23]。干燥速度表征木材內(nèi)部水分向外流動的快慢，反映了木材干燥的難易程度，與木材的材質(zhì)和構(gòu)造有關(guān)。

圖1 百度試驗中黑木相思木材含水率的變化Figure 1 Change of moisture content in 100 ℃ test for A.melanoxylon

2.2 擬定木材干燥條件

參照百度試驗法干燥缺陷等級對應(yīng)干燥條件的分級標準[15]，獲得的黑木相思木材干燥的初終期干燥條件如表3所示。從所列干燥條件中選出最低值為干燥基準的基本條件，即初期溫度50.0 ℃，初期干濕球溫差2～3 ℃，末期溫度80.0 ℃。參考闊葉材密度與干燥條件的關(guān)系[24-25]，計算黑木相思木材適用的干燥基準編號為7-4-3或T7-D3(溫度編號=13.7-13.6×0.518=6.66≈7；含水率編號=4.51-1.56×0.518=3.70≈4，干濕球溫差編號=5.20-3.95×0.518=3.15≈3)，具體為干燥初期溫度54.4 ℃，干濕球溫差2.8 ℃，末期溫度71.1 ℃。由干燥特性可知：黑木相思初期開裂等級相對較高，截面變形及內(nèi)裂等級相對較小，因而對其進行干燥時，前期干濕球溫差不宜過大，升溫不宜過快，以免出現(xiàn)初期開裂；中后期各階段升溫幅度及干濕球溫度差可適當加大，以提高干燥效率。綜上，擬定黑木相思板材干燥的初期溫度為55.0 ℃，初期干濕球溫差為3.0 ℃，末期溫度為80.0 ℃。

表3 百度試驗測定黑木相思木材干燥條件Table 3 Drying conditions corresponding to defects grades in 100 ℃test for A.melanoxylon wood

根據(jù)擬定的木材干燥初終期條件，參照國家林業(yè)行業(yè)標準LY/T 1068-2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》中闊葉材干燥基準的一般編制原則，初步擬定黑木相思鋸材的干燥基準(表4)。干燥初期干濕球溫差3～5 ℃，當含水率降至30%后，含水率每降低5%，干球溫度升高5～7 ℃，干濕球溫差增加1.2～1.6倍，整個干燥過程干濕球溫差最大約20～28 ℃。

表4 擬定的黑木相思鋸材干燥基準Table 4 Preliminary proposed drying schedule for A.melanoxylon lumber

2.3 干燥工藝試驗

2.3.1 干燥基準優(yōu)化 根據(jù)擬定的干燥基準，用小型木材干燥試驗機對25 mm厚黑木相思木材進行系統(tǒng)試驗。干燥質(zhì)量檢測結(jié)果表明鋸材最終含水率為6.88%，殘余應(yīng)力值(2.94±1.92)%，其余指標均滿足鋸材干燥質(zhì)量的二級指標要求。根據(jù)鋸材終含水率較低而殘余應(yīng)力較大的情況，對擬定的干燥基準進行調(diào)整，最終得到優(yōu)化的25 mm厚黑木相思鋸材干燥基準(表5)。依照GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》對于二級干燥材的要求設(shè)定平衡處理條件，在檢驗板含水率最低值為8%時開始，至檢驗板含水率最高值12%時結(jié)束。干燥末期的平衡處理和終了處理的最高溫度高于80.0 ℃，有利于鋸材中水分的移動及殘余應(yīng)力的釋放。

圖2 25 mm厚黑木相思鋸材干燥過程曲線Figure 2 Drying curve for 25 mm-thickness A.melanoxylon lumber

2.3.2 鋸材干燥曲線 采用優(yōu)化的干燥基準進行干燥實驗，根據(jù)6塊檢驗板在干燥過程中的平均含水率變化情況，得到25 mm厚黑木相思鋸材的干燥過程曲線(圖2)。鋸材由平均初含水率110.40%干燥至終含水率8.42%，平均干燥速率約為0.38%·h-1，整個干燥過程共耗時268.0 h，即干燥周期為11.2 d。整個干燥過程中干燥速率比較穩(wěn)定，表明干燥過程中溫度條件的設(shè)定比較合理。

2.3.3 鋸材干燥質(zhì)量 由表6可知：采用優(yōu)化干燥基準進行干燥，鋸材的平均最終含水率為8.31%，滿足鋸材干燥質(zhì)量的二級指標要求。鋸材的干燥均勻度、厚度上含水率偏差、殘余應(yīng)力以及可見干燥缺陷方面的指標均可滿足鋸材干燥質(zhì)量的一級指標。綜合評價，根據(jù)優(yōu)化的干燥基準進行25 mm厚黑木相思鋸材干燥，可獲得滿足二級干燥質(zhì)量指標的干燥鋸材，適用于家具、建筑門窗、實木地板、細工木板、室內(nèi)裝飾、文體用品等實木制品的生產(chǎn)。

表6 優(yōu)化后25 mm厚黑木相思鋸材干燥質(zhì)量Table 6 Drying qualities of 25 mm-thickness A.melanoxylon lumber

3 結(jié)論

百度試干燥驗法表明：黑木相思木材干燥缺陷初期開裂和扭曲變形等級相對較高，分別為4級和3級；截面變形及內(nèi)裂等級較小，分別為2級和1級；干燥速度中等，為3級。為避免初期開裂，干燥前期干濕球溫差不宜過大，升溫不宜過快，中后期干濕球溫差和升溫可適當加大，提高干燥效率。

對黑木相思鋸材進行干燥工藝優(yōu)化試驗，得到優(yōu)化的25 mm厚黑木相思鋸材干燥基準，干燥初期溫度55.0 ℃，初期干濕球溫度差3.0 ℃，末期溫度80.0 ℃。以干燥鋸材的平均最終含水率、干燥均勻度、厚度上含水率偏差、殘余應(yīng)力、可見干燥缺陷等指標綜合評價，干燥鋸材的質(zhì)量達到GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》中鋸材干燥質(zhì)量二級指標。實際干燥生產(chǎn)還需依干燥設(shè)備及裝材量等對干燥工藝進行調(diào)整和優(yōu)化，在滿足實際生產(chǎn)需求的前提下，提高干燥質(zhì)量及效率，降低生產(chǎn)成本。