羅 丹, 韓 健

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

毛竹竹筒干燥技術(shù)研究

羅 丹, 韓 健

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

本文研究了干燥窯中毛竹竹筒干燥時(shí)，不同因素對(duì)竹筒干燥開(kāi)裂的影響。重點(diǎn)研究了竹筒長(zhǎng)度、壁厚、開(kāi)槽處理與不開(kāi)槽處理與毛竹竹筒開(kāi)裂的關(guān)系。結(jié)果表明： 竹筒長(zhǎng)度越長(zhǎng)，開(kāi)裂程度較小，干燥速度較慢，所用時(shí)間越長(zhǎng)；竹壁越厚，竹筒越不容易開(kāi)裂；開(kāi)槽處理的竹筒較不做處理的竹筒更容易開(kāi)裂，開(kāi)槽處理干燥速度更快。分析了竹筒干燥后發(fā)生變形的原因。

毛竹竹筒；干燥；開(kāi)裂研究

當(dāng)前我國(guó)對(duì)竹質(zhì)人造板、竹碳、竹醋等研究得較多，結(jié)構(gòu)單元上一般多以竹片、竹蔑等形態(tài)為主[1-2]，對(duì)以竹筒為基本結(jié)構(gòu)單元研究較少。竹材因本身結(jié)構(gòu)的差異，其各向的干縮差異較大，導(dǎo)致竹材在運(yùn)輸、干燥、使用等過(guò)程中容易發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象[3]，使竹材的利用受到一定的局限。本研究對(duì)4年生毛竹竹筒不處理和開(kāi)槽處理，進(jìn)行干燥窯干燥對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)其在干燥過(guò)程中的水分變化、厚度因素、開(kāi)裂情況以及形態(tài)變化等進(jìn)行了相關(guān)研究，為防止竹材開(kāi)裂提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用竹材為4年生毛竹(Phyllostachyspubescens)，采自湖南省益陽(yáng)市桃江縣。竹材胸徑200 mm左右，長(zhǎng)度1.3m，平均含水率74%。制作試件時(shí)，先將竹隔打通，然后將原竹鋸成50mm、 100mm、 150mm、 200mm、 250mm、 300mm、 350mm、 400mm共8種不同的長(zhǎng)度，再根據(jù)竹壁厚度將鋸制的竹筒分成3組(A組：壁厚4.5～6mm，B組： 壁厚6～7.5mm，C組：壁厚7.5～9mm)，每組試件4個(gè)，試件總數(shù)96個(gè)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件處理 對(duì)試件采用開(kāi)槽和不開(kāi)槽兩種方法處理。每組試件中的每種長(zhǎng)度取2個(gè)試件做開(kāi)槽處理，2個(gè)試件作不開(kāi)槽處理。開(kāi)槽處理是在竹筒表面縱向?qū)ΨQ(chēng)開(kāi)出寬5mm、深3mm，在試件長(zhǎng)度方向貫通的矩形槽。對(duì)每個(gè)試件標(biāo)記并稱(chēng)重，記錄竹材表面情況。

1.2.2 干燥工藝 將竹材試件放入調(diào)溫調(diào)濕箱中，整個(gè)干燥過(guò)程分為二個(gè)階段，第一階段為預(yù)熱階段，時(shí)間為0～5h，相對(duì)濕度控制在80%，每小時(shí)以6℃的速度升溫到50℃。第二階段為干燥階段，時(shí)間為6～72h，其中在6～48h階段，溫度為80±3℃，相對(duì)濕度為70%～65%，在49～72h階段，溫度為100±3℃，相對(duì)濕度為30%～35%。在干燥過(guò)程中，每3h記錄1次竹材重量。最終觀察竹材表面開(kāi)裂情況。

1.2.3 干燥效果評(píng)價(jià) 竹筒在干燥中很容易開(kāi)裂，開(kāi)裂超過(guò)一定程度，竹筒的力學(xué)強(qiáng)度顯著降低。參考竹材開(kāi)裂的等級(jí)評(píng)定情況[4]，將竹筒干燥效果設(shè)為4級(jí)，1級(jí)：無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象；2級(jí)：竹材表面或端部出現(xiàn)細(xì)小、較淺裂隙或出現(xiàn)較寬、較深裂縫且裂縫長(zhǎng)度小于5mm；3級(jí)：竹材表面或端部出現(xiàn)較寬、較深裂縫且裂縫長(zhǎng)度大于5mm；4級(jí)：竹筒產(chǎn)生貫通開(kāi)裂和劈裂現(xiàn)象。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥工藝影響

竹材干縮不均勻是竹材開(kāi)裂的主要原因之一，而水分散失是竹材發(fā)生收縮的重要原因。對(duì)竹材內(nèi)部水分變化研究也是對(duì)竹材收縮變形變化的研究。

2.1.1 長(zhǎng)度對(duì)干燥工藝的影響 為模擬長(zhǎng)度為2400mm竹材的干燥水分變化規(guī)律，選出長(zhǎng)度逐漸遞增的8種竹材水分呈一定規(guī)律變化的時(shí)間點(diǎn)的含水率，以同一時(shí)間點(diǎn)的8個(gè)長(zhǎng)度的含水率為1組，利用origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并模擬出該時(shí)間點(diǎn)的線性相關(guān)方程：

(1)

(2)

(3)

y4=0.28+4.444x4

(4)

y5=0.14+3.46x5

(5)

(6)

y7=0.037+2.84x7

(7)

(8)

x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8表示對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)竹材長(zhǎng)度。

y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8分別表示3h含水率、9h含水率、12h含水率、15h含水率、21h含水率、27h含水率、54h含水率、末含水率的方程。8個(gè)方程的相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.95、0.93、0.98、0.95、0.94、0.98、0.95、0.96。

將某一長(zhǎng)度代入以上各方程，可求出2400mm長(zhǎng)的竹材在上述8個(gè)時(shí)間點(diǎn)的含水率分別為98.00%、70.87%、44.05%、29.07%、14.83%、9.65%、4.38%、0.07%，可以由此繪制出2400mm竹筒的含水率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。

從圖1中可以看出，在整個(gè)干燥過(guò)程中，從初含水率到第15h的含水率曲線比較，相鄰兩條擬合曲線之間，長(zhǎng)度短的竹材一端距離大于長(zhǎng)度長(zhǎng)之間的距離，說(shuō)明在干燥初期長(zhǎng)度短的竹材水分排出快，隨著時(shí)間變化，從第15h到第54h之間，相鄰兩擬合曲線長(zhǎng)度較長(zhǎng)的竹材相鄰兩條線距離逐漸減小，說(shuō)明隨著較長(zhǎng)竹材水分的排出，各長(zhǎng)度竹材含水率逐于平衡。最后各長(zhǎng)度竹材水分減少差別不大，含水率逐漸趨于平衡。

圖1 干燥過(guò)程中含水率變化與長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between moisture content change and length in drying process

2.1.2 處理方式對(duì)干燥工藝的影響 由圖2可知，干燥過(guò)程中，預(yù)處理階段，干燥基準(zhǔn)較軟，竹材重量損失率較小，損失率約為15%，隨著干燥基準(zhǔn)變硬，在干燥階段前9h，試件重量損失較大，即水分散失速度較快。經(jīng)開(kāi)槽處理的竹材水分在前39h排出較未做處理的竹材更快。在第39h后，竹材水分排出較緩慢。在0～36h階段，開(kāi)槽處理的竹材的重量損失是不做處理的近2倍。在第51h溫度上升到100℃，濕度下降到30%～35%時(shí)，竹材重量損失率略為增大，隨后逐漸趨于平衡。

圖2 不開(kāi)槽處理與開(kāi)槽處理的重量損失率曲線Fig.2 Weight loss ratio curve of the grooving and the no grooving bamboo

2.2 各因素對(duì)開(kāi)裂的影響

2.2.1 長(zhǎng)度對(duì)開(kāi)裂的影響 從表1中長(zhǎng)度因素可以看出，隨著竹筒長(zhǎng)度的增加，400mm長(zhǎng)的竹筒和50mm長(zhǎng)的竹筒在最優(yōu)等級(jí)(等級(jí)1)數(shù)量上逐漸增加，最劣等級(jí)(等級(jí)4)在數(shù)量上呈減小趨勢(shì)。這是因?yàn)檩^短的試件在干燥時(shí)和較長(zhǎng)均勻，造成收縮也不均勻，而從縱向上看，較短試件因含水率梯度差異更大，收縮的差異與大的試件相比，水分排出較快，收縮也快，在橫向上看，竹環(huán)上的各個(gè)位置水分排出更加不勻，細(xì)胞間的拉伸作用更容易減弱，較短的竹材更容易發(fā)生開(kāi)裂。

表1 不同因素開(kāi)裂等級(jí)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Thequantitativestatisticsofcrackinggradesfromdifferentfactors等級(jí)Grades8種不同長(zhǎng)度(mm)Eightdifferentlength3種竹壁厚度(個(gè))Threewallthickness2種處理方式(個(gè))Twotreatments50100150200250300350400ABC開(kāi)槽處理Grooving不開(kāi)槽處理Nogrooving132324565511141812224243354891015123424333121075913434332101953611

2.2.2 厚度對(duì)開(kāi)裂的影響 從表1中厚度因素可以看出，隨著竹壁厚度增加，在最優(yōu)等級(jí)(等級(jí)1)數(shù)量上呈逐漸增加趨勢(shì)，最劣等級(jí)(等級(jí)4)在數(shù)量上呈減小趨勢(shì)。竹材干縮是由于竹材維管束中的導(dǎo)管失水后引起的，因此維管束分布密的部位干縮率就大[5-6]。竹壁厚度越大，維管束密度減小，干縮越小，竹材開(kāi)裂容易程度也越小。厚度較薄的竹材，維管束密度較大，在干燥過(guò)程中越容易失水，其干縮程度也越大，竹材則越容易開(kāi)裂。

2.2.3 處理方式對(duì)開(kāi)裂的影響 從表1中處理方式因素可看出，開(kāi)槽處理的竹材較不做處理的竹材開(kāi)裂程度更大。竹材本身在干燥過(guò)程中其各向水分排出不均勻，導(dǎo)致竹材容易開(kāi)裂。開(kāi)槽處理后，竹材水分排出速度更快，其各向的收縮則更加不均勻。經(jīng)開(kāi)槽處理的竹筒的力學(xué)強(qiáng)度降低，在圓環(huán)上的槽口容易整個(gè)圓環(huán)收縮過(guò)程中抗強(qiáng)度最低的部分，而更容易開(kāi)裂。

2.3 形態(tài)和受力分析

在干燥過(guò)程中，不做處理和開(kāi)槽處理的竹材最終干燥的干燥形態(tài)如圖3所示。不做處理的竹材主要呈4種形態(tài)(圖3中1)：A收縮均勻，基本無(wú)形態(tài)變化；B竹環(huán)呈橢圓化；C竹材斷裂呈現(xiàn)開(kāi)裂；D竹材劈裂成兩段。開(kāi)槽處理的竹材主要呈4種形態(tài)(圖3中2開(kāi)槽處理的形態(tài))：A收縮均勻，槽口基本無(wú)形態(tài)變化；B竹環(huán)橢圓化槽口呈擴(kuò)張狀；C竹環(huán)橢圓化槽口呈收縮狀；D竹材劈裂成兩部分。以上2種處理情況的B、C、D情況均伴隨細(xì)小裂縫和不同程度的開(kāi)裂。

圖3 干燥后不開(kāi)槽處理和開(kāi)槽處理的形態(tài)Fig.3 Shapes of the grooving and the not no grooving bamboo after drying

圖4 竹圓環(huán)變形點(diǎn)受力分析 Fig.4 Force analysis of deformation point of bamboo donut

干燥后呈現(xiàn)各種狀態(tài)的原因如下： ① 當(dāng)竹環(huán)上各個(gè)部位收縮均勻時(shí)，各個(gè)部位的細(xì)微變形未超出竹材變形，即受力較均勻時(shí)，整個(gè)竹環(huán)保持原態(tài)(圖3中1、2的A形態(tài))。② 如圖4，當(dāng)竹材a點(diǎn)收縮較大，d點(diǎn)收縮較小時(shí)，則a點(diǎn)會(huì)對(duì)b點(diǎn)產(chǎn)生拉力作用F，此時(shí)可將力F分解為f1和f2兩個(gè)分力，當(dāng)竹環(huán)a到d上的連續(xù)的點(diǎn)(如b、c)受到如f2的力時(shí)，竹環(huán)則發(fā)生橢圓變形(圖3中1的B形態(tài))；當(dāng)竹環(huán)呈橢圓變形，開(kāi)槽位于在a點(diǎn)時(shí)，a點(diǎn)圓弧變小，槽口呈擴(kuò)張狀(圖3中2的B形態(tài))，開(kāi)槽位于b點(diǎn)時(shí)，b點(diǎn)圓弧變小，槽口呈收縮狀(圖3中2的C形態(tài))。 ③ 當(dāng)竹環(huán)上b點(diǎn)的收縮比a和c點(diǎn)小，c點(diǎn)在竹環(huán)上抗拉強(qiáng)度最低時(shí)，則發(fā)生在c點(diǎn)發(fā)生開(kāi)裂。 ④ 當(dāng)竹環(huán)的上下圓環(huán)上的連續(xù)的點(diǎn)受到力F的分力f2，并且橢圓變形到一定程度時(shí)，竹環(huán)從橢圓的兩個(gè)小圓弧處劈裂開(kāi)，成大小差不多的兩塊(圖3中1、2的D形態(tài))。

3 結(jié)論

(1) 竹材的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其達(dá)到平衡含水率的時(shí)間也越長(zhǎng)，制定工藝基準(zhǔn)時(shí)，為保證其水分排出更加均勻，制定的干燥工藝時(shí)間也應(yīng)相應(yīng)拉長(zhǎng)。竹材越長(zhǎng)，其開(kāi)裂程度較小。

(2) 竹材厚度越小，竹材越容易開(kāi)裂。在干燥過(guò)程中，也可將竹材按厚度分類(lèi)進(jìn)行干燥，可達(dá)到較好的干燥效果。

(3) 開(kāi)槽處理的竹材較不做處理的竹材更容易開(kāi)裂。開(kāi)槽處理有利于水分的排出，但是在整個(gè)竹環(huán)的收縮過(guò)程中，開(kāi)槽的竹材整個(gè)圓環(huán)上的強(qiáng)度降低，易成為整個(gè)圓環(huán)中最薄弱的環(huán)節(jié)。

(4) 干燥過(guò)程中，竹材水分排出的不均勻造成竹材在同一高度圓環(huán)的干縮不均勻，水分排出快的部位，竹材收縮較大。不做處理的竹材開(kāi)裂主要呈幾種不同的形態(tài)：A：收縮均勻，基本無(wú)形態(tài)變化；B：竹環(huán)呈橢圓化；C：竹材斷裂呈現(xiàn)開(kāi)裂；D：竹材劈裂成兩段。

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(責(zé)任編輯：鞏建廳)

StudyondryingtechnologyofPhyllostachyspubescenstubes

LUO Dan, HAN Jian

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

The effect of 4 factors，such as bamboo tubes length, wall thickness and grooving, no grooving, on bamboo tubes cracking in the process of dryingPhyllostachyspubescenstubes were studied. The results showed that, the longer the bamboo tube length the smaller the cracking degree, the slower the drying rate the longer the time for drying, the thicker the wall thickness the more difficulty the bamboo tube to crack. And the grooving bamboo tube was easier to crack than no grooving bamboo tube. The reasons of distortion of bamboo tubes during drying were also analyzed in this paper.

Phyllostachyspubescenstubes; drying; cracking research

2010 — 11 — 30

2010 — 12 — 06

科技部支撐計(jì)劃項(xiàng)目資金資助“太陽(yáng)能預(yù)制房屋關(guān)鍵構(gòu)件制造技術(shù)研究與示范”(項(xiàng)目編號(hào)： 2008BADA9B0202)。

S 781.9

A

1003 — 5710(2010)06 — 0057 — 03

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2010. 06. 014