马尾松干燥特性研究

2012-04-29刁海林白灵海罗建举余天华唐继新高伟

湖北农业科学 2012年3期

刁海林白灵海罗建举余天华唐继新高伟

摘要：采用百度试验法，在（１００±２）℃恒温干燥条件下对马尾松（ＰｉｎｕｓｍａｓｓｏｎｉａｎａＬａｍｂ）试件进行干燥试验，根据干燥过程中马尾松试件的初期开裂、内裂、截面收缩等干燥缺陷制定出马尾松木材的干燥基准。结果表明，马尾松试件的初期开裂等级为１等，内裂等级为１等，截面变形为２等，干燥速度等级为１等，综合特性等级为２等。马尾松的干燥初期温度为７０ ℃，干燥初期干湿球温度差为４～７ ℃，干燥终期温度为９０ ℃。厚度为２５ｍｍ的马尾松板材在强制循环干燥窑内干燥至含水率１０％所需的时间为６．７５（５）ｄ（括号内为硬基准条件下的干燥时间）。马尾松木材的平均纵向收缩率为０．４８％，平均径向收缩率为４．３５％，平均弦向收缩率为５．９７％。马尾松试件主要缺陷是截面变形，在实际生产过程中要尽量使用硬基准，干燥中、后期适时进行喷蒸处理。

关键词：马尾松（ＰｉｎｕｓｍａｓｓｏｎｉａｎａＬａｍｂ）；干燥特性；百度试验；干燥基准

中图分类号：Ｓ７９１．２４８；Ｓ７８２．３１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）03－0537-04

ＤｒｙｉｎｇＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＰｉｎｕｓｍａｓｓｏｎｉａｎａ

ＤＩＡＯＨａｉ－ｌｉｎ１，ＢＡＩＬｉｎｇ－ｈａｉ２，ＬＵＯＪｉａｎ－ｊｕ１，ＹＵＴｉａｎ－ｈｕａ１，ＴＡＮＧＪｉ－ｘｉｎ２，ＧＡＯＷｅｉ１

（１．ＦｏｒｅｓｔｒｙＣｏｌｌｅｇｅｏｆＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００４，Ｃｈｉｎａ；

２．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＣｅｎｔｅｒｏｆＴｒｏｐｉｃａｌＦｏｒｅｓｔｒｙ，ＣＡＦ，Ｐｉｎｇｘｉａｎｇ５３２６００，Ｇｕａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ１００ ℃ ｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｄｒｙｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆＰｉｎｕｓｍａｓｓｏｎｉａｎａｌｕｍｂｅｒｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｉｎｄｒｙｉｎｇｏｖｅｎａｔ the ｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ１００±２℃．ＴｈｅｄｒｙｉｎｇｓｃｈｅｄｕｌｅｏｆＰ. ｍａｓｓｏｎｉａｎａｌｕｍｂｅｒ was ｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆＰ. ｍａｓｓｏｎｉａｎａｉｎｉｔｉａｌｃｒａｃｋｉｎｇ，ｉｎｔｅｒｎａｌｃｒａｃｋ，ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｄｉｓｆｉｇｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｏｔｈｅｒｄｒｙｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｒｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄ that ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｇｒａｄｅｓｏｆｉｎｉｔｉａｌｃｒａｃｋｉｎｇ，ｉｎｔｅｒｎａｌｃｒａｃｋ，ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｄｉｓｆｉｇｕｒｅｍｅｎｔ，ｄｒｙｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｅｓｔｌｕｍｂｅｒｗｅｒｅ１，１，２，１ａｎｄ２，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｌｙ．Ｔｈｅｉｎｉｔｉａｌａｎｄｆｉｎａｌｄｒｙｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｒｅｏｆｔｅｓｔｌｕｍｂｅｒ was ７０ａｎｄ９０ ℃ ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｄｒｙ－ｗｅｔｂｕｌｂａｔｉｎｉｔｉａｌｄｒｙｉｎｇｓｔａｇｅｗａｓ４~７ ℃．Ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄｄｒｙｉｎｇｔｉｍｅ for Ｐ. ｍａｓｓｏｎｉａｎａｐａｎｅｌｗｉｔｈｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆ２５ｍｍｄｒｉｅｄｔｏ１０％ｉｎｆｏｒｃｅｄｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｄｒｙｉｎｇｏｖｅｎｗａｓ６．７５（５）ｄａｙｓ（in Ｂｒａｃｋｅｔｓ is ｔｈｅｄｒｙｉｎｇｔｉｍｅｕｎｄｅｒｈａｒｄｂｅｎｃｈｍａｒｋｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）．Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｈｒｉｎｋａｇｅｒａｔｉｏ，ｒａｄｉａｌｓｈｒｉｎｋａｇｅｒａｔｉｏａｎｄｔａｎｇｅｎｔｉａｌｓｈｒｉｎｋａｇｅｒａｔｉｏｏｆｔｅｓｔｌｕｍｂｅｒｗｅｒｅ０．４８％，４．３５％ａｎｄ５．９７％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｌｙ．ＴｈｅｍａｉｎｄｅｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｏｆＰ. ｍａｓｓｏｎｉａｎａｗａｓｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｄｉｓｆｉｇｕｒｅｍｅｎｔ，ｈａｒｄｅｒｓｃｈｅｄｕｌｅｓｈｏｕｌｄｂｅｐｏｓｓｉｂｌｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅａｃｔｕａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ；ｓｔｅａｍｉｎｊｅｃｔｉｏｎｉｎｔｉｍｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｅｄｉｕｍ－ａｎｄｐｏｓｔ－ｄｒｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓａｌｓｏｉｍｐｏｒｔａｎｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｉｎｕｓｍａｓｓｏｎｉａｎａ；１００ ℃ ｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄ；ｄｒｙｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒ；ｄｒｙｉｎｇｓｃｈｅｄｕｌｅ

马尾松（ＰｉｎｕｓｍａｓｓｏｎｉａｎａＬａｍｂ）又名青松、山松，为常绿乔木，分布于淮河流域和汉水流域以南，西至四川东部、贵州中部和云南东南部，是我国南方地区一种非常丰富的木材资源［１］。松木是工农业生产的重要原料，主要用于建筑、坑道木、枕木、制板、包装箱及胶合板等［２］。近年来，随着家具市场对实木家具需求量的持续攀升及传统名贵家具木材资源的日渐匮乏，马尾松也开始用于原实木家具制造。然而由于马尾松具有材质松软、强度低、易翘曲、变形大等不良特性，使其在家具市场中的应用受到了一定限制［３］。实践证明，合理的干燥可以改善木材的加工性能，减少变形，延长使用年限。因此，进行马尾松干燥性能研究，对于改善马尾松木材材质、提高马尾松木材利用价值、满足市场对普通原实木家具的需求具有重要意义。试验采用百度试验法对马尾松进行干燥特性研究，并在此基础上制定出与马尾松干燥特性相应的干燥基准，可供生产实际中制定干燥工艺参考使用。

１材料与方法

１．１试验材料

试材选自广西凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心伏波试验场马尾松种植示范基地。种源地海拔６５０ｍ，年降雨量１２００～１５００ｍｍ，树龄３１年。

试验样木按照国家标准《木材物理力学试材采集方法》（ＧＢ/Ｔ１９２７－２００９）［４］在取样林地内根据整体林分的树高、胸径、长势以及树冠幅的生长情况选取长势良好，树干通直，结疤少，无病虫害，胸径中等的６株样木并标出北向。将样木伐倒后，每株样木沿树高方向截取３．３～５．３ｍ、７．３～９．３ｍ、１１．３～１３．３ｍ共３段作为试验木段并作好标记。采用四面下锯法将木段制成大方木。以过髓心的南北直径线为中心线沿平行方向锯取２５ｍｍ厚的板材，刨成（２０±０．５）ｍｍ的光面板，然后在无缺陷部位依次截取２００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍ（长×宽×厚）的试件。为进行对比试验，每株树的试件分别选取弦切板８块，径切板４块，中心板２块，总计试件８４块。试件平均初始含水率为１７１．６３％，均达４５％以上，满足百度试验法的要求［５］。

１．２试验设备

１０１Ａ－３型电热鼓风干燥箱（上海实验仪器有限公司）、ＪＪ１０００型电子天平（精度为０．０１ｇ）、游标卡尺（精度为０．０２ｍｍ）、０．０２～１．００ｍｍ塞尺、位差度测量仪（精度为０．００１ｍｍ）、钢直尺、精密推台锯等。

１．３试验方法

采用百度试验法［６］进行试验。首先将所有试件画出中线，用游标卡尺测出各项尺寸（包括长、宽、厚），再用电子天平称重，然后放入预热到（１００±２）℃的恒温干燥箱内干燥。使每一块试件均沿纹理方向竖立于干燥箱内以利于试件受热和通风均匀。

观察干燥过程中试件出现缺陷的情况，包括端裂、表裂、端表裂。初期每小时观测１次，裂纹不再增加并开始愈合时改为每２ｈ观测１次，当裂纹不再愈合时改为每４ｈ观测１次，每次观测记录裂缝种类及各类裂缝的数量和长宽，同时进行称重。试件干燥至绝干需要２４ｈ，共观测１５次。每次转换干燥时间时还要测量记录试件的长、宽、厚。

试件达到绝干后将其从干燥箱内取出，测量其重量、尺寸（长、宽、厚）、扭曲度、顺弯度、瓦弯度、横弯度。然后从试件中部横截取含水率试验片（顺纹长约１５ｍｍ），并在截断面上测定试件内裂数据及断面收缩率。将含水率试验片在１０３ ℃的条件下干燥６ｈ后取出称重，此后每２ｈ称重１次，直至连续两次重量不变时干燥结束。

２结果与分析

２．１马尾松干燥特性曲线

根据马尾松试件干燥过程中各干燥阶段的当时质量以及绝干质量，计算出马尾松试件各干燥阶段的当时含水率，即可绘制出马尾松干燥过程中的含水率与时间关系曲线（干燥特性曲线），如图１所示。

２．２马尾松三向线收缩特性

根据马尾松试件各干燥阶段的尺寸记录，计算出马尾松试件各阶段的弦向、径向和纵向线收缩率，绘制出其弦向、径向和纵向三向线收缩率曲线如图２所示。

２．３马尾松干燥基准

按弦切板统计马尾松的干燥缺陷等级，参考文献［７］中关于“１００ ℃干燥试验中干燥缺陷及干燥速度分级标准”，确定出马尾松试件干燥缺陷等级如表１。

根据百度试验得到的马尾松初期开裂、内裂、截面变形等级，参考文献［８］可得出马尾松的干燥初期条件如表２所示。

取表２中各温度和干湿球温度最低条件作为干燥基准的基本条件，参考文献［９］得马尾松的干燥初期温度为７０ ℃，初期干湿球温差为４～７ ℃，终期温度为９０ ℃。又根据“含水率与干湿球温度差关系表”［９］，可以得出马尾松锯材的干燥基准，如表３所示。

２．４马尾松干燥时间估算

在百度试验中，根据木材中水分移动的难易程度与干燥条件，利用图３进行干燥时间的估算［８］。由马尾松含水率与干燥时间曲线（图１）可知，当含水率降至１％时所用的干燥时间是２４ｈ，对应图３可知所需的干燥时间约为７．５ｄ；马尾松初期干湿球温度差值４～７ ℃，对应图３可知所需的干燥时间约为６（２．５）ｄ，取其两者的平均值６．７５（５）ｄ（括号内为硬基准条件下），即为厚度２５ｍｍ的马尾松板材在强制循环干燥窑内干燥至含水率１０％所需的时间。

２．５马尾松干燥特性分析

２．５．１马尾松干燥特性等级按弦切板、径切板、中心板分别统计干燥缺陷等级，对照文献［７］中“１００ ℃干燥试验中干燥缺陷及干燥速度分级标准”，确定出马尾松的干燥特性等级如表４。

２．５．２干燥速度分析干燥速度指木材百度干燥试验过程中试件含水率自３０％降至５％时所需的时间，是反映木材中水分移动快慢的主要指标。影响木材干燥速度的因素主要是木材内水分的扩散性，一般认为木材水分的扩散是通过与细胞腔串联与纹孔并联的细胞壁进行的。木材水分在纤维饱和点以上时，水分进出木材的难易程度取决于大毛细管之间的纹孔膜上微孔的大小和数量，在纤维饱和点以下时吸着水和水蒸气则是在含水率梯度和水蒸气压力梯度作用下移动［１０］。干燥过程初期自由水从大毛细管排出，阻力相当小，而后期结合水从木材内部结构中脱离，阻力则大得多。因此制约木材干燥速度的主要是结合水的分离，自由水影响较小［１１］。这一点从马尾松干燥特性曲线中也可以看出。

马尾松的平均干燥速度等级为１级，说明马尾松的干燥速度比较快，且各类板的干燥速度相差不大。同时其含水率从３０％降至绝干的过程中，速度明显低于纤维饱和点以上时的干燥速度，干燥至１６ｈ后干燥速率几乎接近于零。在本试验中，干燥初期马尾松裂纹较少，只出现较少的端裂，干燥至绝干时没有内裂产生，这说明马尾松的干燥质量较好，在实际生产中为了提高干燥速度可适当使用硬基准，以缩短干燥周期。

２．５．３干缩性质分析由马尾松线干缩率曲线（图２）可知，木材从湿材干燥到干材过程中，随着含水率的降低，木材干缩量增加，至绝干时干缩程度达到最大。木材干燥开始时干缩不明显，但是随着干燥过程的进行，木材干缩程度加剧，达到一定含水率水平后，木材干缩程度减缓并趋于稳定。从图２可看出马尾松木材含水率在纤维饱和点以上时干缩程度较剧烈，而含水率降到纤维饱和点以下时逐渐减缓。一般来说木材纵向、径向、弦向绝干时干缩率的范围分别是０．１％～０．３％、３.0％～６.0％、６.0％～12.0％［７］。马尾松绝干时纵向、径向、弦向干缩率分别为０．４８％、４．３５％、５．９７％。可知马尾松弦向和径向收缩相对较小，而纵向干缩则较大。纵向收缩的大小主要取决于微纤丝角的大小，微纤丝角增大，纵向干缩变大［１２］。而马尾松木材在所有高度上髓心处微纤丝角较大，均在２０°～３５°，向外微纤丝角缓慢减小，最后微纤丝角度基本保持稳定［１３］。此外，木材的顺纹干缩率与密度成反比［１２］，而马尾松木材密度较小，因此其顺纹（纵向）干缩较大。

２．５．４其他干燥特性分析截面变形是含有饱和含水率的木材在高温急剧干燥下，水分迅速向外扩散的瞬间，细胞腔出现减压现象而出现的板面塌陷造成的［１２］。马尾松干燥后的平均塌陷度为３．８７％，这是由于在干燥初期通常干燥温度高，自由水移动速度快造成的。且在含水率很高时就有可能产生，并随着含水率下降而加剧。对于同一木材，因在树干中的部位不同，其塌陷程度也存在差异，其中心材较边材容易发生塌陷［１４］。马尾松干燥过程中，中心板的塌陷度为５．１１％，较弦切板和径切板剧烈。

由于干缩的不均匀性，在百度试验过程中，试件会产生翘曲变形（包括瓦弯、顺弯及横弯）。其中瓦弯是由于木材弦径向干缩率不一致造成的［７］。马尾松试件干燥时平均瓦弯度是２．１５％，说明它的弦径向干缩差异较大。其平均顺弯度和平均横弯度分别为０．３９％和０．５４％，这说明马尾松干燥时在纵切面上的变形较小。此外，扭曲主要是由木材纵向纹理不直引起的［１２］。马尾松试件平均扭曲度较小，仅为１．３１％，这与马尾松的纵向纹理较通直有关。此外，整个试验过程马尾松试件未出现内裂缺陷。

３小结与讨论

试验结果显示，马尾松木材百度试验初期开裂和内裂等级均为１级，而截面变形等级为２级，由此可见马尾松干燥过程中主要缺陷为截面变形。另外由于马尾松干燥速度较快，干燥周期较短，故为易干燥的树种。

制定了马尾松干燥特性相应的干燥基准，但这一干燥基准只是根据百度试验法得出的理论基准，对于实际生产应用则还需经过小试对此基准加以修正。由于马尾松木材干燥速度较快，而且不易出现变形和开裂等缺陷，尺寸稳定性较好，因此在实际生产过程中可考虑尽可能使用偏硬基准，以缩短干燥周期。同时还要根据板厚等具体情况对干燥基准做适当的调整，以获得更好的干燥质量。

含水率高于纤维饱和点时干燥过程的干燥曲线，在干燥时期内分为等速干燥期和减速干燥期［７］。在等速干燥期内，木材表面蒸发自由水，表层含水率保持在接近于纤维饱和点的水平，干燥速度不变。在减速干燥期内，由内层向表层移动的水分的数量小于表面的蒸发强度，干燥速度逐渐减慢。从图１中可知，该试验马尾松木材干燥大致也分为等速干燥和减速干燥两个过程。同时，由于试件初含水率较高，所以等速干燥期较减速干燥期长。

李梁等［１５］认为干燥基准应该是个性化的参数，由木材材性决定。木材基本密度越大，干燥基准应该越软。弦径向干缩系数的大小也与干燥基准系数有关。马尾松木材基本密度和弦径向干缩系数均较小，所以在实际干燥过程中，应该尽量使用硬基准。

参考文献：

［１］吴中伦．中国农业百科全书·林业卷（上）［Ｍ］．北京：农业出版社，１９８９．

［２］周政贤．中国马尾松［Ｍ］．北京：中国林业出版社，２００１．

［３］汪佑宏，顾炼百．马尾松锯材热压干燥工艺的研究［Ｊ］．林产工业，２００２，２９（６）：１６－１９．

［４］ＧＢ/Ｔ１９２７－２００９，木材物理力学试材采集方法［Ｓ］．

［５］何清慧．木材干燥基准简易确定法——百度试验［Ｊ］．木材工业，１９９８，１２（６）：３９－４１．

［６］刘元，吴义强，乔建政，等．桉树人工林木材的干燥特性及干燥基准研究［Ｊ］．中南林学院学报，２００２（４）：４４－４９．

［７］王喜明．木材干燥学［Ｍ］．第三版．北京：中国林业出版社，１９９５．

［８］杜洪双，唐朝发，李杉，等．百度试验确定干燥基准在铁木上的应用［Ｊ］．木材加工机械，２００３（４）：１９－２３．

［９］戴于龙，黄月瑞，刘渝，等．推广预测木材干燥基准的百度试验法的可行性探讨［Ｊ］．北京林学院学报，１９８５，7（１）：１９－２９．

［１０］李大纲．马尾松木材干燥过程中水分的非稳态扩散［Ｊ］．南京林业大学学报（自然科学版），１９９７，２１（１）：７５－７９．