鮑詠澤　周永東

(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京,100091)

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過熱蒸汽干燥對50 mm厚柳杉鋸材質(zhì)量及微觀構(gòu)造的影響1)

鮑詠澤周永東

(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京,100091)

摘要對50 mm厚柳杉鋸材進(jìn)行過熱蒸汽干燥試驗(yàn)，對干燥后鋸材的終含水率、殘余干燥應(yīng)力及干燥缺陷等干燥質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，并使用掃描電鏡進(jìn)行觀察，分析過熱蒸汽干燥對木材微觀構(gòu)造的影響。結(jié)果表明，柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后的終含水率、厚度含水率偏差、殘余干燥應(yīng)力以及順彎翹曲率、橫彎翹曲率和扭曲率等均能達(dá)到鋸材干燥質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一級指標(biāo)要求，翹曲達(dá)到干燥質(zhì)量二級指標(biāo)要求；柳杉鋸材過熱蒸汽干燥質(zhì)量為二級的合格率為90.32%。通過觀察干燥后柳杉木材的微觀構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)大量紋孔破裂、紋孔膜脫落，導(dǎo)致木材內(nèi)孔隙增加，表明過熱蒸汽干燥會提高木材的滲透性，進(jìn)而提高木材干燥速率。

關(guān)鍵詞柳杉;過熱蒸汽;干燥質(zhì)量;微觀構(gòu)造

分類號S781.71

Effect of Superheated Steam Drying of 50-mm-thickness Chinese Cedar Lumber on Wood Quality and Microstructure

Bao Yongze, Zhou Yongdong

(Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 10091, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(4)：66-68,73.

Superheated steam drying experiment was conducted on 50-mm-thickness Chinese Cedar (Cryptomeriafortunei) lumber. The final moisture content (MC), residual drying stress and drying defects of the lumber was analyzed after drying, and statistical analysis of drying quality were conducted. Scanning electron microscopy (SEM) was used to observe microstructure of lumber to discuss the effect of superheated steam drying on wood microstructure. The quality indexes including final MC, layer moisture content, residual drying stress, crook, cup, and twist can meet the requirements of the first grade in accordance with national standard for lumber drying quality, and warp index can meet the requirements of the 2nd grade. By SEM, the pits in cell wall were broken, and pit membrane was loss, which resulted in the improved permeability of lumber under superheated steam drying, and increased the drying rate in drying process.

KeywordsChinese Cedar; Superheated steam; Drying quality; Microstructure

柳杉是國內(nèi)分布面積較大的非傳統(tǒng)用材樹種之一，是長江流域和南方各省的主要造林樹種，面積約140萬hm2[1]。柳杉的加工利用中，干燥是一道關(guān)鍵程序，直接影響能源消耗和生產(chǎn)成本，而且干燥質(zhì)量還關(guān)系到木材的出材率，后期加工和木制品的使用性能[2]。國外對柳杉干燥的研究已有許多，尤其是對日本柳杉(Cryptomeriajaponica)大多采用的是常規(guī)干燥和高溫干燥[3-6]；而對柳杉(Cryptomeriafortunei)鋸材采用高溫干燥及聯(lián)合干燥法[7]的研究顯示，其干燥缺陷較多，干燥質(zhì)量較低。過熱蒸汽干燥具有干燥速率快、干燥質(zhì)量好、節(jié)能效果顯著及安全環(huán)保的特點(diǎn)[8-10]，廣泛應(yīng)用于食品、污泥和農(nóng)副產(chǎn)品等行業(yè)，是一種低成本、高效率的干燥方法。國內(nèi)學(xué)者使用高壓過熱蒸汽干燥日本柳杉，并對干燥過程中干縮應(yīng)力進(jìn)行相關(guān)研究[11]，但有關(guān)常壓條件下過熱蒸汽干燥木材的報(bào)道較少。筆者采用常壓過熱蒸汽干燥柳杉木材，研究其干燥特性、干燥質(zhì)量及過熱蒸汽對微觀構(gòu)造的影響，為柳杉木材的高效、高附加值利用提供技術(shù)依據(jù)。

1材料和方法

1.1材料與設(shè)備

柳杉(Cryptomeriafortunei)，采自四川，樹齡30 a，胸徑在25 cm以上。采伐后原木的長度截為2.0 m，兩端用石蠟乳液進(jìn)行封端，以防止運(yùn)輸過程中端裂的發(fā)生。試材鋸解后放入冷藏庫中低溫保存，溫度保持在-6 ℃，以保持其生材的高含水率狀態(tài)，初含水率范圍120%～140%。本試驗(yàn)中主要為弦切板，包括部分髓心材。

試驗(yàn)用干燥設(shè)備為木材干燥試驗(yàn)機(jī)(HD74/TAII)，配有電熱鍋爐，通過噴蒸管將鍋爐蒸汽導(dǎo)入干燥機(jī)，并通過翅片管式加熱器將蒸汽加熱到過熱狀態(tài)。試驗(yàn)風(fēng)速約為2.5 m/s，試驗(yàn)過程參數(shù)由電腦進(jìn)行全自動控制，并自動記錄干燥過程參數(shù)。含水率檢測使用烘干箱(DNK611)、電子天平(TXB622L)，干燥缺陷檢測使用游標(biāo)卡尺、楔形尺等工具進(jìn)行。使用切片機(jī)(TU-213)制作木材切片，并采用掃描電子顯微鏡(Hitachi-S4800)觀察木材微觀構(gòu)造。

1.2方法

干燥試驗(yàn)前將2 m長的板材進(jìn)行鋸解并標(biāo)號，在距板材兩端頭5 cm及中間各截取1 cm厚含水率試片，加工成干燥試驗(yàn)用的鋸材，規(guī)格為900 mm(長)×120 mm(寬)×50 mm(厚)。用烘干法測定含水率片的初含水率，相鄰兩個含水率片的平均值即是中間鋸材的含水率值。對所有鋸材在干燥前進(jìn)行稱質(zhì)量，并檢測及記錄干燥前缺陷，以便干燥后對比。試驗(yàn)中材堆大小為900 mm×800 mm×800 mm，材堆頂層放置質(zhì)量為324 kg的壓重物，以減少干燥產(chǎn)生的彎曲變形。本試驗(yàn)設(shè)備及材堆配置等與企業(yè)用干燥設(shè)備相近，所用干燥工藝可在企業(yè)使用。

挑選6塊含水率有代表性的、無翹曲及開裂等缺陷的鋸材作為含水率檢驗(yàn)板，在干燥過程中便于取放，檢測含水率及干燥缺陷的發(fā)生及變化。以檢驗(yàn)板的初質(zhì)量及初含水率推算絕干質(zhì)量，之后在干燥過程中定期稱量檢驗(yàn)板的質(zhì)量，計(jì)算當(dāng)時(shí)的含水率，從而監(jiān)測含水率的變化情況，同時(shí)記錄干燥缺陷的發(fā)展情況。依當(dāng)時(shí)含水率狀態(tài)，并參考使用的干燥基準(zhǔn)，及時(shí)調(diào)整干燥工藝階段。

干燥結(jié)束后根據(jù)GB/T 6491—2012《鋸材干燥質(zhì)量》對順彎、橫彎、翹彎、扭曲及開裂等外觀缺陷進(jìn)行檢測，并隨機(jī)抽取12塊鋸材制作平均含水率片，分層含水率片和應(yīng)力試片檢測鋸材的平均終含水率、厚度含水率偏差及殘余干燥應(yīng)力值等干燥質(zhì)量指標(biāo)。

將干燥鋸材中部沿順紋方向用帶鋸機(jī)截取10 mm(弦向)×10 mm(徑向)的木條，然后進(jìn)行水煮軟化。用刀片將軟化好的木條切成長度10 mm的樣塊，再用木材切片機(jī)將軟化好的試材切成厚度2 mm的切片，烘至絕干后表面進(jìn)行噴金以觀察木材的微觀結(jié)構(gòu)。

干燥工藝主要參考國外木材常壓過熱蒸汽干燥工藝，并依據(jù)國內(nèi)柳杉鋸材常規(guī)干燥工藝及干燥質(zhì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合幾次預(yù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)而制定。預(yù)熱時(shí)間為4 h，終了調(diào)濕處理為6 h。為了更好地使干燥應(yīng)力得到釋放，在終了處理前使木材溫度先下降至75 ℃，之后再提高溫度及濕度進(jìn)行終了處理。這樣木材內(nèi)部的溫度場及水分梯度的方向一致，都是由木材外部向木材內(nèi)部的方向，利于木材吸收水分并釋放殘余干燥應(yīng)力。干燥工藝基準(zhǔn)如表1所示。

表1　柳杉鋸材過熱蒸汽干燥工藝

2結(jié)果與分析

2.1柳杉鋸材干燥過程

圖1所示為50 mm厚柳杉鋸材過熱蒸汽干燥過程。整個干燥周期共用110 h，其中干燥過程85 h，全程干燥速率為0.011 8 h-1。木材干燥初期，柳杉鋸材初含水率較高，木材內(nèi)充滿大量自由水，而表層的自由水首先蒸發(fā)。這時(shí)木材表層含水率低于心層，在木材整體上形成了含水率梯度；與此同時(shí)，水分加熱至沸點(diǎn)發(fā)生汽化也形成了蒸汽壓力梯度。當(dāng)蒸發(fā)完畢之后，在含水率梯度和蒸汽壓力梯度的作用下，水蒸氣沿著細(xì)胞腔與紋孔大毛細(xì)管由木材內(nèi)部向外擴(kuò)散移動，這個階段干燥過程近似直線[12]；含水率在40%左右干燥曲線稍變緩，但后期過熱度增加后，干燥速度又有所增加?？傮w來講干燥過程中干燥速度較接近。

—■—干球溫度；—●—濕球溫度；—▼—含水率

2.2柳杉鋸材干燥質(zhì)量

2.2.1含水率及殘余干燥應(yīng)力

表2為柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后平均含水率、厚度含水率偏差及殘余應(yīng)力值。根據(jù)鋸材干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6491—2012對過熱蒸汽干燥后的柳杉木材含水率及應(yīng)力進(jìn)行測量分析，結(jié)果表明柳杉鋸材的終含水率均值為7.92%，干燥均勻度為0.68%；厚度含水率偏差為負(fù)值，表明心層含水率低于表層，是因?yàn)樵诟稍锝Y(jié)束后，進(jìn)行終了調(diào)濕處理，使得表層含水率稍高。正是由于調(diào)濕處理的作用，使得干燥應(yīng)力得到很好的釋放，干燥后殘余干燥應(yīng)力值只有0.5%。柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后的平均最終含水率、分層含水率、殘余干燥應(yīng)力均能達(dá)到一級干燥質(zhì)量要求，且合格率為100%。

表2　柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后的含水率及殘余應(yīng)力值

注：厚度含水率偏差=心層含水率-表層含水率。

2.2.2干燥缺陷

柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后的干燥缺陷如表3所示。過熱蒸汽干燥后順彎翹曲率、橫彎翹曲率和扭曲率平均值均能達(dá)到鋸材干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的一級指標(biāo)要求，翹彎翹曲率平均值達(dá)到干燥質(zhì)量二級指標(biāo)要求。柳杉鋸材過熱蒸汽干燥后均無內(nèi)裂和皺縮現(xiàn)象發(fā)生，但鋸材表面會產(chǎn)生較小的開裂，開裂寬度不足2 mm，按標(biāo)準(zhǔn)不予計(jì)數(shù)。柳杉鋸材表面原有細(xì)裂紋干燥后有所擴(kuò)展，是由于干燥過程中木材縱向與橫向干縮的差異性較大，導(dǎo)致木材翹彎變形的產(chǎn)生及開裂的延長。綜合來看，本次過熱蒸汽干燥柳杉鋸材二級以上干燥質(zhì)量的總體干燥合格率為90.32%。

表3　柳杉鋸材過熱蒸汽干燥缺陷質(zhì)量檢測結(jié)果

綜上所述，過熱蒸汽干燥法適用于柳杉鋸材的干燥。為了對比研究，筆者與常規(guī)干燥法和高溫干燥法[13]相比較得出，常規(guī)干燥后柳杉鋸材的平均含水率、厚度含水率偏差及殘余應(yīng)力值均大于過熱蒸汽干燥，外觀質(zhì)量略高于過熱蒸汽干燥。而高溫干燥后柳杉鋸材的平均含水率和厚度含水率偏差小于過熱蒸汽干燥，但殘余應(yīng)力值卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過熱蒸汽干燥，外觀質(zhì)量與過熱蒸汽干燥差別不顯著。由此得出，過熱蒸汽干燥優(yōu)于常規(guī)干燥和高溫干燥。

2.3過熱干燥對柳杉鋸材微觀構(gòu)造的影響

圖2所示為柳杉鋸材過熱蒸汽干燥前后微觀構(gòu)造的對比。與未經(jīng)干燥的柳杉鋸材(圖2a)相比，經(jīng)過熱蒸汽干燥后柳杉(圖2b)木材徑面上大量紋孔發(fā)生破裂，木材的孔隙增加。這表明過熱蒸汽干燥可增加木材的孔隙度，進(jìn)而提高木材的滲透性，降低了干燥過程中的含水率梯度，減小干燥應(yīng)力的發(fā)生，使木材干燥質(zhì)量得到提高。

在過熱蒸汽干燥過程中，木材內(nèi)部的水分迅速被加熱至沸點(diǎn)并發(fā)生汽化，木材內(nèi)部會產(chǎn)生一個蒸汽壓力作用于紋孔膜等較薄弱的組織，破壞了閉塞的紋孔膜，打通了木材內(nèi)部水分移動的通道。而且隨著汽蒸處理溫度的升高，水分汽化越劇烈，蒸汽壓力對紋孔膜的破壞程度也在加劇，增大或增多了有效滲透路徑的半徑和數(shù)量，從而在一定程度上提高了木材的滲透性[14]。

圖2　柳杉鋸材微觀構(gòu)造對比

參考文獻(xiàn)

[1]LI Yingwei， PENG Jinhui， LIU Bingguo， et al. Prediction model of ammonium uranyl carbonate calcination by microwave heating using incremental improved Back-Propagation neural network[J]. Nuclear Engineering and Design，2011，241(5)：1909-1913.

[2]張學(xué)工.關(guān)于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論與支持向量機(jī)[J].自動化學(xué)報(bào)，2000，26(1)：32-42.

[3]張國忠.智能控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2007：88-90.

[4]BENNETT K P， CAMPBELL C. Support vector machines: hype or hallelujah[J]. ACM SIGKDD Explorations Newsletter，2000，2(2)：1-13.

[5]李延軍，唐榮強(qiáng)，鮑濱福，等.高溫?zé)崽幚砩寄玖W(xué)性能與尺寸穩(wěn)定性研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(4)：232-236.

[6]黃細(xì)霞.基于支持向量機(jī)的建模方法及其在材料加工中的應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008：15-19.

收稿日期：2015年10月22日。

作者簡介：第一鮑詠澤，男，1987年1月生。中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，博士研究生。E-mail:baoyongze2009@126.com。通信作者：周永東，中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，研究員。E-mail:zhouyd@caf.ac.cn。

1)林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404502)。

責(zé)任編輯：戴芳天。