(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

人類經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及生活水平的快速提高導(dǎo)致世界范圍內(nèi)木材資源日益緊缺，開(kāi)發(fā)人工林是解決木材供需矛盾的有效方法[1]。桉樹(shù)是世界三大速生林之一，具有生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)，極具開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)[2-3]。桉木密度適中、紋理美觀，具備制造實(shí)木家具及裝飾材料的條件。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，木材的材性與木制品的設(shè)計(jì)、加工及結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)[4-6]。因此，桉木利用應(yīng)建立在良好材性控制的基礎(chǔ)之上，利用合理的干燥技術(shù)[7-10]來(lái)實(shí)現(xiàn)木材的材性穩(wěn)定。

桉木在常規(guī)干燥過(guò)程中由于溫度過(guò)高常導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的皺縮，皺縮是由自由水遷移產(chǎn)生的毛細(xì)管張力大于木材細(xì)胞壁的橫紋抗拉強(qiáng)度所致[11-12]。因此，可以采取降低溫度的方法來(lái)干燥，高周波真空干燥[14-15]能在低溫條件下實(shí)現(xiàn)快速干燥木材。另外，超臨界二氧化碳萃取也能在較低的溫度下通過(guò)超臨界狀態(tài)的二氧化碳將桉木中的水分帶走，防止桉木皺縮[16]。而冷凍干燥[17]是將材料中的水先凍結(jié)成冰，然后在低溫低壓的條件下使材料中的冰直接升華成水，不經(jīng)歷液相，因此干燥過(guò)程不產(chǎn)生毛細(xì)管張力，能夠從根本上解決桉木干燥皺縮問(wèn)題。

本研究以尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)為試材，對(duì)其進(jìn)行冷凍和常規(guī)干燥，對(duì)比兩種干燥方法的干燥速度、含水率梯度、應(yīng)力及干縮變形和皺縮，為易皺縮木材的高品質(zhì)干燥提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

速生人工林尾巨桉，初含水率在110%～130%之間，氣干密度為0.565 g/cm3。原木砍伐后運(yùn)至南京林業(yè)大學(xué)，然后加工成1 000 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)規(guī)格方材。將方材編號(hào)，塑料薄膜密封包裹后放入冰柜保存。干燥試驗(yàn)前將2根尾巨桉方材分別加工成首尾連接的100 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)試件8塊，分別用于冷凍干燥和常規(guī)干燥。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

鼓風(fēng)干燥箱(DHG-905386-Ⅲ，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)；冷凍干燥機(jī)(LGJ-10C，北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司)；佳能掃描儀(CanoScan LiDE 700F)；電子天平(FA2004，0.001 g，上海精密儀器有限公司)；數(shù)顯游標(biāo)卡尺(日本三豐，0.01 mm)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 冷凍干燥和常規(guī)干燥工藝

(1)冷凍干燥：首先將全部試件放入冷凍干燥機(jī)的冷肼中預(yù)凍，條件為-60 ℃、12 h。預(yù)凍結(jié)束后將試件放入冷凍干燥機(jī)凍干架的托盤(pán)上進(jìn)行冷凍干燥，壓力為30 Pa。

(2)常規(guī)干燥：參考以往文獻(xiàn)，本次常規(guī)干燥條件為溫度60 ℃，濕度66%。

1.3.2 干燥過(guò)程含水率及干燥應(yīng)力測(cè)定

(1)初含水率：干燥試件鋸截時(shí)，在每塊試件的兩端鋸取2片5 mm試片，參照GB/T 1931-2009，用烘干法測(cè)量材料的初含水率。

(2)干燥過(guò)程含水率分布及干燥應(yīng)力：冷凍及常規(guī)干燥過(guò)程，定時(shí)取出試件測(cè)量其重量并估算其含水率，當(dāng)含水率到達(dá)預(yù)定鋸切點(diǎn)時(shí)將試件從干燥設(shè)備內(nèi)取出，在試件中間位置鋸截2片3 mm木片，標(biāo)號(hào)為1和2。1號(hào)木片用于分層含水率和干燥應(yīng)力測(cè)量，將木片順紋劈成等厚5層，用烘干法測(cè)量每層的含水率。同時(shí)測(cè)量每層木條變形前長(zhǎng)度L及變形后撓度f(wàn)，按公式(1)計(jì)算干燥應(yīng)力指標(biāo)。2號(hào)木片用于干縮測(cè)量，各層的含水率平均值為干燥過(guò)程試件的當(dāng)時(shí)含水率。分層含水率測(cè)量如圖1所示。

圖1 分層含水率測(cè)量

(1)

式中：Y為試件應(yīng)力指標(biāo)(%)；f為試件變形撓度(mm)；L為試件長(zhǎng)度(mm)。

1.3.3 干縮變形測(cè)量

利用上述鋸截木片2測(cè)量干燥過(guò)程木材干縮變形。本研究測(cè)量橫斷面的干縮，橫截面掃描成圖像文件后，利用Image J[18]處理軟件測(cè)出其面積后立即用天平測(cè)量質(zhì)量。然后將其烘至絕干，再次測(cè)量面積和質(zhì)量。試件干燥過(guò)程不同含水率點(diǎn)時(shí)面積干縮率按公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：S為面積干縮率(%)；Ai為試件初始面積(mm2)；Aw為含水率w時(shí)的面積(mm2)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 干燥速度對(duì)比

圖2是尾巨桉冷凍與常規(guī)干燥過(guò)程含水率-時(shí)間變化曲線，表1統(tǒng)計(jì)了兩種干燥方式下初含水率、干燥時(shí)間及干燥速度。由圖2可知，盡管冷凍和常規(guī)干燥試件的初含水率不同，但其在FSP上下的干燥速度差別很大。FSP以上干燥速度快，F(xiàn)SP以下冷凍和常規(guī)干燥的速度都變的緩慢。由表1數(shù)據(jù)可知，無(wú)論哪種干燥方式，在FSP上下，干燥速度不在一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于冷凍和常規(guī)干燥，F(xiàn)SP以上的速度是FSP以下的4.8和6.5倍。此外，由表1可知，干燥全程冷凍干燥速度都大于常規(guī)干燥，是其1.3倍。FSP上下，其干燥速度為常規(guī)的1.07和1.45倍。由此可知，F(xiàn)SP以上冷凍和常規(guī)干燥速度差別不大；FSP以下，冷凍干燥速度明顯大于常規(guī)干燥。FSP以下木材中的水分為吸著水，其在常規(guī)干燥過(guò)程脫除困難，而冷凍干燥過(guò)程由于木材內(nèi)外壓力差較大，進(jìn)而加快了吸著水的脫除。

圖2 冷凍及常規(guī)干燥速度對(duì)比

表1 冷凍干燥與常規(guī)干燥速度對(duì)比

2.2 含水率梯度對(duì)比

圖3是冷凍干燥和常規(guī)干燥過(guò)程不同含水率階段木材心層和表層含水率梯度的對(duì)比。表層含水率為圖1(a)中左右兩個(gè)表層木條的平均含水率。由圖3可以看出，干燥全程冷凍干燥的含水率梯度大于常規(guī)干燥，且兩種干燥方法的含水率梯度變化趨勢(shì)類似，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。其中，常規(guī)干燥在含水率下降至53%左右時(shí)，其心表層含水率梯度達(dá)到最大值，約23%，而冷凍干燥在含水率下降至38%附近時(shí)達(dá)到最大值，約為47%，這表明冷凍干燥過(guò)程心表層含水率梯度持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。含水率梯度是促使水分遷移的驅(qū)動(dòng)力，冷凍干燥過(guò)程其含水率梯度平均為常規(guī)干燥的1.9倍，因此其水分遷移速度快。

圖3 冷凍干燥與常規(guī)干燥含水率梯度對(duì)比

2.3 干燥應(yīng)力對(duì)比

圖4是冷凍干燥和常規(guī)干燥過(guò)程干燥應(yīng)力與含水率變化曲線。因?yàn)楸敬胃稍镌嚰蚁虺叽缰挥?0 mm，遠(yuǎn)小于國(guó)標(biāo)尺寸，所以應(yīng)力指標(biāo)值偏小，但可以用來(lái)對(duì)比不同干燥方法下木材應(yīng)力變化的大小和趨勢(shì)。由圖4可知，冷凍干燥和常規(guī)干燥應(yīng)力的變化趨勢(shì)相似，隨含水率降低呈波動(dòng)變化，但冷凍干燥的應(yīng)力在各含水率階段都小于常規(guī)干燥。冷凍干燥過(guò)程水分主要以升華的方式脫除，不同于常規(guī)干燥毛細(xì)張力下的自由水遷移及濃度梯度下吸著水的擴(kuò)散，因此其導(dǎo)致木材產(chǎn)生的干燥應(yīng)力要小。

2.4 木材干縮對(duì)比

圖5是冷凍干燥與常規(guī)干燥過(guò)程不同含水率階段橫截面的干縮對(duì)比。木材是生物材料，其變形受溫度影響很小，即木材的熱脹冷縮很小。但是水分的變化會(huì)引起木材尺寸的變化，尤其含水率低于FSP時(shí)，木材產(chǎn)生干縮濕脹，進(jìn)而導(dǎo)致木材出現(xiàn)變形和開(kāi)裂等問(wèn)題。FSP以上，木材中水分的減小通常不會(huì)引起收縮，但是某些特殊木材(易皺縮木材)在FSP以上隨水分的減少會(huì)產(chǎn)生收縮變形，尾巨桉就是這種容易皺縮的木材。由圖5可知，尾巨桉木材在FSP以上時(shí)，無(wú)論冷凍干燥還是常規(guī)干燥都產(chǎn)生了變形，而這部分變形是由細(xì)胞的皺縮而產(chǎn)生，即細(xì)胞本身產(chǎn)生了內(nèi)潰變形。但是冷凍干燥變形小于常規(guī)干燥，這主要是因?yàn)槔鋬龈稍镞^(guò)程木材內(nèi)部的水被凍結(jié)成冰，干燥時(shí)冰直接升華為水蒸氣，不產(chǎn)生毛細(xì)管張力，進(jìn)而有效地抑制了木材的皺縮。同時(shí)，由圖5可知，冷凍干燥的全干干縮率是常規(guī)干燥的84%，其主要原因也是高含水率階段木材產(chǎn)生的皺縮較小，沒(méi)有累積到最后的干縮當(dāng)中。

圖4 連續(xù)及間歇干燥過(guò)程中應(yīng)力變化

圖5 冷凍干燥與常規(guī)干燥面積干縮率對(duì)比

3 結(jié)論

(1)尾巨桉冷凍干燥速度是常規(guī)干燥的1.3倍。與常規(guī)干燥相比，F(xiàn)SP以上干燥速度差別不大，F(xiàn)SP以下干燥速度提高近50%。

(2)整個(gè)干燥過(guò)程冷凍干燥的含水率梯度都大于常規(guī)干燥，且隨含水率的降低呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。冷凍干燥含水率梯極值的出現(xiàn)晚于常規(guī)干燥。

(3)桉木冷凍干燥過(guò)程各含水率階段的干燥應(yīng)力小于常規(guī)干燥，干燥應(yīng)力波動(dòng)較小。

(4)桉木冷凍干燥過(guò)程干縮率小于常規(guī)干燥，絕干干縮率是常規(guī)干燥的84%。冷凍干燥是冰氣升華干燥，能夠有效抑制桉木因毛細(xì)管張力而引起的皺縮。