沈玉林 王 哲 平立娟,3 李美玲 劉小燕 王喜明

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院 呼和浩特 010010； 2. 北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100083；3. 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091)

第八次全國森林資源清查結(jié)果顯示，我國人工林蓄積量為24.83億m3，面積為0.69億hm2，人工林面積居世界首位。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是我國三北地區(qū)優(yōu)良造林樹種之一，為常綠針葉大喬木，樹干通直，樹高可達(dá)30 m，喜光，適應(yīng)性強(qiáng)，耐寒、耐干旱、耐瘠薄，是沙地固沙的先鋒樹種。樟子松木材紋理通直，密度適中，是非常好的家具和建筑用材。

木材干燥是保證家具和建筑用材質(zhì)量的重要措施之一，實(shí)現(xiàn)木材高效、綠色干燥是新時(shí)代研究熱點(diǎn)。目前，木材干燥常用方法主要有常規(guī)干燥、高溫干燥、高頻真空干燥、太陽能干燥和除濕干燥等，其中，高溫干燥速度快、效率高，相比常規(guī)干燥，速度可提高2～5倍，能耗可節(jié)省25%～60%，干燥后木材不易產(chǎn)生霉變和色斑，尺寸穩(wěn)定性好，力學(xué)性能有所改善(王愷， 1998； Sehlstedt-Persson， 1995； Wu， 1998； Bekele， 1994)，且對(duì)樹脂含量高的木材具有一定的脫脂效果(康利國， 2011)。但高溫干燥也存在一些缺點(diǎn)，如木材表面易變色，容易形成開裂、皺縮等缺陷，對(duì)干燥設(shè)備要求高，且對(duì)樹種要求嚴(yán)格，不適用于既難干又容易產(chǎn)生干燥皺縮、開裂變形較大的樹種。樟子松木材干燥較易、較快，在干燥過程中雖然有時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂紋和翹曲現(xiàn)象，但相比落葉松(Larixgmelinii)和馬尾松(Pinusmassoniana)來說在干燥缺陷上要少一些，適合于高溫干燥。

太陽能是一種可再生的清潔能源，我國太陽能總輻射資源豐富，但單獨(dú)使用太陽能干燥木材存在很多弊端，如不連續(xù)性、耗時(shí)長等。如果將太陽能與其他干燥技術(shù)相結(jié)合，則可達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的效果。現(xiàn)階段，國內(nèi)外在太陽能-紅外聯(lián)合干燥、太陽能-熱泵聯(lián)合干燥等方面的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，太陽能-紅外聯(lián)合干燥主要用于農(nóng)副產(chǎn)品或中草藥的干燥，干燥周期短，清潔衛(wèi)生，節(jié)能效果好(Mongpraneetetal.， 2002； 柯濤等， 1990； 1996)； 太陽能-熱泵聯(lián)合干燥比單獨(dú)使用太陽能干燥時(shí)間可縮短20%左右(張璧光， 2007)，節(jié)電率達(dá)15%～47.8%(鮑欲森， 1993)。也有一些其他聯(lián)合干燥，如太陽能-蒸汽聯(lián)合干燥、太陽能干燥裝置與廢熱空氣相結(jié)合等，均可實(shí)現(xiàn)提高干燥效率和節(jié)能目標(biāo)。由此可見，采用太陽能-高溫聯(lián)合干燥進(jìn)行木材干燥處理，將會(huì)帶來優(yōu)良的綠色節(jié)能干燥效果，產(chǎn)生一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

鑒于此，本研究采用常規(guī)干燥、高溫干燥、太陽能-常規(guī)聯(lián)合干燥和太陽能-高溫聯(lián)合干燥4種方法對(duì)人工林樟子松木材進(jìn)行干燥，比較干燥速度、干燥時(shí)間、干燥質(zhì)量和干燥能耗等干燥質(zhì)量指標(biāo)，研究不同干燥方法對(duì)人工林樟子松木材干燥特性的影響，以期為人工林樟子松木材高溫節(jié)能綠色干燥提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

人工林樟子松試材于2016年12月采自河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣圍場鎮(zhèn)林場，原木平均直徑20～30 cm。試材采伐后鋸解成板材冷凍儲(chǔ)存，平均初含水率為110%。試件尺寸為400 mm×100 mm×30 mm(試件長度較短，試驗(yàn)時(shí)須封端處理)，四面刨光。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 干燥工藝 1) 常規(guī)干燥和高溫干燥 表1所示為本試驗(yàn)采用的樟子松木材常規(guī)干燥基準(zhǔn)，該干燥工藝是結(jié)合百度試驗(yàn)法測試的干燥特性，參照LY/T 1068—2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》(國家林業(yè)局， 2012)并加以修正后制定； 表2所示為參考程萬里(2007)擬定的高溫干燥基準(zhǔn)。同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整。

表1 常規(guī)干燥基準(zhǔn)Tab.1 Conventional drying schedule

表2 高溫干燥基準(zhǔn)Tab.2 High temperature drying schedule

經(jīng)試驗(yàn)調(diào)整過的干燥基準(zhǔn)，在試驗(yàn)過程中除個(gè)別試材出現(xiàn)輕微端裂和變形外，大部分試材沒有嚴(yán)重缺陷出現(xiàn)。

試驗(yàn)設(shè)備為高低溫交變濕熱箱，上海躍進(jìn)生產(chǎn)，型號(hào)GDJSX-120 A，電加熱，容積0.121 5 m3，壁厚10 cm，風(fēng)機(jī)風(fēng)速1.5 m·s-1。

2) 太陽能聯(lián)合干燥 圖1a所示為自主研發(fā)的小型空氣集熱型太陽能干燥設(shè)備。技術(shù)參數(shù)： (1)干燥箱外殼，鍍鋅鐵皮靜電噴涂灰色，壁厚1.2 mm； (2)干燥箱保溫材料，40 mm厚耐高溫PE； (3)有效體積，0.69 m3； (4)太陽能集熱器，空氣集熱，2 000 mm×1 000 mm； (5)風(fēng)機(jī)，功率4.8 W，SUNON公司生產(chǎn)。利用該設(shè)備進(jìn)行樟子松木材預(yù)干燥處理，當(dāng)含水率降至30%左右將木材取出，再進(jìn)行常規(guī)干燥、高溫干燥處理，直至含水率降至8%～10%之間。

圖1 太陽能干燥設(shè)備(a)和自動(dòng)氣象站(b)Fig.1 Solar dryer device diagram(a)and automatic weather station(b)1.保溫棉Insulation cotton； 2.通風(fēng)管道Ventilation pipe； 3.風(fēng)機(jī)×2 Fan×2； 4.溫度傳感器Temperature sensor； 5.材堆Timber pile； 6.重力傳感器Gravity sensor； 7.干燥箱Drying kiln； 8.空氣集熱器Air collector； 9.濕度傳感器Humidity sensor； 10.控制箱及數(shù)據(jù)采集器Control box and data collector； 11.支架Bracket.

1.2.2 干燥能耗測定方法 木材干燥設(shè)備上外接一個(gè)電子式單相電能表(DDS738，上海華立電表廠)，在干燥過程中，每隔3 h記錄1次電表數(shù)。分析干燥1 m3木材干燥設(shè)備所消耗電能與含水率之間的關(guān)系。

1.2.3 干燥特性測試方法 1) 木材材色測定方法 測定干燥前后木材材色，分析不同干燥方法對(duì)樟子松木材材色的影響，作為干燥缺陷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。測定方法： 在試材樣板上選取10個(gè)測量點(diǎn)，干燥前后用色差儀(SWS-1，上海物光科技)進(jìn)行測量，得到明度L*和色品指數(shù)a*、b*以及總色差ΔE*。色差儀自動(dòng)演算出明度差、色飽和度差等指標(biāo)值并判斷干燥前后木材材色變化程度，原理參照CIE1976(張姍姍， 2009)。

2) 應(yīng)力及分層含水率測定方法 應(yīng)力測定采用叉齒法。將試片等厚分為5層，采用質(zhì)量法測定每一層的含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽能預(yù)干燥

2.1.1 太陽能干燥箱性能 太陽能干燥箱性能測試結(jié)果見表3。

表3 太陽能干燥箱性能測試結(jié)果Tab.3 Performance test results of solar drying chamber

選取2種典型的天氣條件進(jìn)行太陽能干燥箱性能評(píng)價(jià)，室外環(huán)境溫度和輻射強(qiáng)度采用試驗(yàn)現(xiàn)場自動(dòng)氣象站(浙江托普云農(nóng)，圖1b)采集的數(shù)據(jù)，測定時(shí)間8:00—18:00。從圖2可以看出，干燥箱溫度與太陽輻射強(qiáng)度變化趨勢基本一致，但在輻射強(qiáng)度上升到一定程度后，箱內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榭諝饧療崞鞯奈鼰岚搴瓦吙蚨荚诔浞治鼰幔邚?qiáng)度太陽輻射下溫度急劇升高，導(dǎo)致其高于周圍環(huán)境溫度，產(chǎn)生對(duì)流散熱和向外輻射，損失大量熱量(王云峰等， 2010)。在輻射強(qiáng)度大幅度下降后，溫度變化幅度較小，這是由于干燥箱具有良好的保溫隔熱效果。結(jié)合表3和圖2，晴天和晴間多云2種天氣條件下，干燥箱內(nèi)空載時(shí)平均溫度分別為56.70和50.42 ℃，負(fù)載時(shí)平均溫度分別為53.61和50.10 ℃，日累計(jì)輻射量分別為38.54和32.14 MJ·m-2，晴間多云時(shí)箱內(nèi)溫度相比晴天約低11%，輻射量約低16.6%。相比其他太陽能預(yù)干燥設(shè)備(呂歡等， 2016； 付立思等， 2005)，本研究太陽能干燥箱內(nèi)平均溫度高，熱量損失小，白天溫度增減速率小。

圖2 太陽能干燥箱內(nèi)溫度隨輻射強(qiáng)度和室外環(huán)境溫度的變化情況Fig.2 The temperature of the solar drying chamber varies with the radiation intensity and ambient temperature

2.1.2 太陽能預(yù)干燥 根據(jù)預(yù)干燥過程中溫濕度變化情況(圖3)可知，太陽能干燥是一個(gè)間歇式干燥過程，白天平均溫度和相對(duì)濕度可達(dá)53.66 ℃和33.87%，夜間溫度降至接近周圍環(huán)境溫度，相對(duì)濕度在70%～90%之間。板材從初含水率約80.03%降至約28.82%，整個(gè)過程耗時(shí)78 h(圖4)。太陽能預(yù)干燥階段含水率變化速率與干燥箱內(nèi)溫度變化相關(guān)，白天干燥速度較慢為0.568%·h-1，隨著干燥進(jìn)行，白天干燥速度最高可達(dá)1.07%·h-1； 夜間干燥速度在0.26 ～0.36%·h-1之間。預(yù)干燥全過程總干燥速度為0.64%·h-1，白天干燥速度約為夜間的3倍。

圖3 預(yù)干燥過程中溫濕度變化情況Fig.3 Change in temperature and humidity during solar pre-drying

圖4 預(yù)干燥過程中試材含水率Fig.4 Moisture content of wood during pre-drying

2.2 常規(guī)干燥、高溫干燥、太陽能-常規(guī)聯(lián)合干燥和太陽能-高溫聯(lián)合干燥

2.2.1 干燥速率與干燥時(shí)間 由表4可知，高溫干燥速度高于常規(guī)干燥，尤其在干燥初中期，干燥速度比常規(guī)干燥高136.15%和113.30%，但在干燥后期，僅高20.87%左右。可見，在木材含水率高于20%時(shí)，高溫干燥在干燥速度上更具優(yōu)勢，能夠大大縮短干燥時(shí)間，節(jié)約能耗，可采用高溫干燥； 但在干燥后期，為了保證干燥質(zhì)量、減少殘余應(yīng)力和變形發(fā)生，應(yīng)降低溫度，可采用常規(guī)干燥。太陽能預(yù)干燥因不連續(xù)性，導(dǎo)致預(yù)干燥階段速度較慢，太陽能-常規(guī)聯(lián)合干燥整個(gè)過程耗時(shí)92 h(預(yù)干燥時(shí)間占87%)，分別是常規(guī)干燥和高溫干燥耗時(shí)的3和5倍，太陽能-高溫聯(lián)合干燥整個(gè)過程耗時(shí)86 h(預(yù)干燥時(shí)間占93%)，分別是常規(guī)干燥和高溫干燥耗時(shí)的2.8和4.7倍。

2.2.2 干燥質(zhì)量 參考含水率和應(yīng)力質(zhì)量指標(biāo)，從表5可以看出，常規(guī)干燥后板材平均終了水率達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)二級(jí)，厚度含水率偏差和殘余應(yīng)力均達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)一級(jí)； 高溫干燥后板材平均終了含水率和殘余應(yīng)力均達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)一級(jí)，厚度含水率偏差達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)二級(jí)。依據(jù)可見缺陷質(zhì)量指標(biāo)，常規(guī)干燥質(zhì)量等級(jí)為一等，高溫干燥質(zhì)量等級(jí)為一等(按技術(shù)要求木材表面變色在合理范圍內(nèi))。太陽能-常規(guī)聯(lián)合干燥、太陽能-高溫聯(lián)合干燥后板材平均終了含水率、厚度含水率偏差達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)一級(jí)，但二者殘余應(yīng)力均偏大，達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)三級(jí)。這是由于預(yù)干燥后芯、表層含水率偏差較大，含水率降至纖維飽和點(diǎn)附近，在轉(zhuǎn)換干燥方法后，表層水分迅速散失，變形較大且容易硬化，導(dǎo)致殘余應(yīng)力偏大。因此，在轉(zhuǎn)換干燥方法前有必要對(duì)木材進(jìn)行汽蒸處理。

表4 4種干燥方法的干燥速度和干燥時(shí)間Tab.4 Drying speed and time of four drying methods

表5 干燥質(zhì)量統(tǒng)計(jì)①Tab.5 The statistics of drying qualities

高溫干燥板材厚度含水率偏差略高于常規(guī)干燥，這是因?yàn)楦邷厝菀资鼓静谋砻嬗不?，?dǎo)致芯層或接近于芯層的部分水分不能及時(shí)蒸發(fā)出去，芯層水分較大，形成偏差。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，高溫干燥有樹脂溢出，并在木材表面固化，這也是造成殘余應(yīng)力出現(xiàn)和木材表面顏色變深的原因之一； 但從另一個(gè)角度來看，高溫干燥也具有一定的脫脂效果，脫脂率可達(dá)63.56%(平立娟， 2018)。

2.2.3 木材材色 干燥前后材色變化程度是評(píng)價(jià)木材干燥質(zhì)量的重要指標(biāo)(材色變化屬于可見缺陷，影響木材美觀和利用)。從圖5可以看出，4種干燥方法的明度差ΔL*均呈負(fù)值，說明干燥后材色偏暗，色度差Δa*呈正值，說明干燥后材色變紅，色度差Δb*呈正值，說明干燥后材色變黃。根據(jù)NBS單位與顏色差別感覺程度(表6)可判斷，常規(guī)干燥和太陽能-常規(guī)聯(lián)合干燥后材色呈明顯淺黃色，高溫干燥和太陽能-高溫聯(lián)合干燥后木材材色呈非常明顯的暗黃或深黃色。依據(jù)總色差ΔE*可見，常規(guī)干燥對(duì)材色影響最小，高溫干燥對(duì)材色影響嚴(yán)重，這是由于高溫下木材受空氣氧化的酚類化合物形成的有色物質(zhì)和半纖維素水解形成的暗色物質(zhì)而發(fā)生的材面變色(魏新莉等， 2012)。

圖5 4種干燥方法干燥前后色度指標(biāo)變化比較Fig.5 Comparison of chromaticity indicator changes of four drying methods before and after drying

2.2.4 能耗評(píng)價(jià) 試材初含水率70%干燥至終含水率10%左右，在相同含水率變化區(qū)間內(nèi)，整個(gè)干燥過程高溫干燥較常規(guī)干燥節(jié)能48.53%。

圖6所示為30 mm厚生材在常規(guī)干燥和高溫干燥過程中木料能耗與含水率的關(guān)系。常規(guī)干燥過程中，在含水率30%以上，每立方米木料約消耗459.37 kW·h電能，平均每降低1%含水率，消耗11.94 kW·h電能；含水率30%～10%之間，每立方米木料約消耗395.57 kW·h電能，平均每降低1%含水率，消耗18.02 kW·h電能，約為干燥前期的1.5倍。高溫干燥過程中，在含水率30%以上，每立方米木料約消耗345.83 kW·h電能，平均每降低1%含水率，消耗6.57 kW·h電能，相比常規(guī)干燥約節(jié)能44.97%； 含水率30%～10%之間，每立方米木料約消耗271.87 kW·h電能，平均每降低1%含水率，消耗12.76 kW·h電能，約為干燥前期的2倍，相比常規(guī)干燥約節(jié)能29.10%。

表6 NBS單位與顏色差別感覺程度①Tab.6 The difference sense degree between unit and color

如圖7所示，太陽能預(yù)干燥階段，風(fēng)機(jī)所消耗的電量由太陽能發(fā)電提供。每立方米人工林樟子松木材，太陽能-常規(guī)聯(lián)合干燥(Solar-CD)在干燥結(jié)束后總能耗為512.18 kW·h，相比常規(guī)干燥(CD)約節(jié)能40.09%，相比高溫干燥(HD)約節(jié)能17.08%； 太陽能-高溫聯(lián)合干燥(Solar-HD)在干燥結(jié)束后總能耗為267.05 kW·h，相比常規(guī)干燥約節(jié)能68.76%，相比高溫干燥約節(jié)能56.76%。可見，太陽能聯(lián)合干燥節(jié)能主要是因預(yù)干燥階段利用太陽能，從而減少電量消耗，高溫干燥節(jié)能主要是因高溫加快干燥速度，縮短干燥時(shí)間，從而減少電量消耗。

圖6 常規(guī)/高溫干燥能耗與含水率的關(guān)系Fig.6 The relationship between energy consumption and moisture content of conventional/high temperature drying

圖7 不同干燥方法下的總能耗對(duì)比Fig.7 Comparison of total energy consumption under different drying methods

3 結(jié)論

1) 太陽能干燥箱在晴天和晴間多云2種天氣條件下，空載時(shí)平均溫度分別為56.70和50.42 ℃，負(fù)載時(shí)平均溫度分別為53.61和50.10 ℃，日累計(jì)輻射量分別為38.54和 32.14 MJ·m-2。

2) 樟子松木材含水率從約80%降至約30%，耗時(shí)約78 h，干燥初期干燥速度較為緩慢，中后期干燥速度提高，白天約1.07%·h-1，夜間約0.36%·h-1，白天干燥速度是夜間的3倍。

3) 高溫干燥速度明顯高于常規(guī)干燥，干燥初中期，高溫干燥速度比常規(guī)干燥高136.15%和113.30%，干燥后期，僅高20.87%左右。常規(guī)干燥后板材平均終了水率達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)二級(jí)，厚度含水率偏差和殘余應(yīng)力均達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)一級(jí)； 高溫干燥后板材平均終了含水率和殘余應(yīng)力均達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)一級(jí)，厚度含水率偏差達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)二級(jí)； 太陽能-常規(guī)聯(lián)合干燥、太陽能-高溫聯(lián)合干燥后木材平均終了含水率、厚度含水率偏差均達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)一級(jí)，但二者殘余應(yīng)力偏大，達(dá)到干燥質(zhì)量等級(jí)三級(jí)。常規(guī)干燥和太陽能-常規(guī)聯(lián)合干燥后材色呈明顯淺黃色，高溫干燥和太陽能-高溫聯(lián)合干燥后材色呈明顯的暗黃或深黃色。

4) 高溫干燥較常規(guī)干燥節(jié)能48.53%，太陽能-常規(guī)聯(lián)合干燥較常規(guī)干燥節(jié)能40.09%，較高溫干燥節(jié)能17.08%，太陽能-高溫聯(lián)合干燥較常規(guī)干燥節(jié)能68.76%，較高溫干燥節(jié)能57.76%。