圆竹气干过程的物理特征变化

韩 健，罗 丹

圆竹气干过程的物理特征变化

韩 健，罗 丹

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

对毛竹和慈竹在气干过程中和物理特征进行了检测研究。研究结果表明：在气干过程前期，毛竹与慈竹的重量、竹壁厚度变化较大，在干燥后期则变化很小，毛竹内部水分蒸发比较平稳，慈竹内部水分蒸发的阶段性变化较明显，慈竹在厚度方向的收缩比毛竹大，且竹材的收缩在干燥开始阶段（高含水率状态）即已发生。在气干过程中，两种竹材的直径变化均很小，毛竹直径的变化比较平缓，慈竹直径的变化则在干燥前期较大，干燥后期很小，总体上毛竹直径的变化率稍大于慈竹，由于圆竹直径变化较小，圆竹气干不易发生开裂。

毛竹；慈竹；气干；物理特征

我国竹材资源丰富，种类繁多，现有竹子40余属，500余种，竹林分布达480余万。目前我国的竹产业发展居于世界领先水平。在对竹材的利用中，竹材干燥是一个十分重要的环节，它直接影响到竹材和竹材产品的性能。国内外对竹材干燥进行了多方面研究[1-4]，孙照斌[5]对竹材纵向、径向和弦向干燥速度的研究表明，高温干燥速度快，但竹材干缩率和变形较大。吴学旦等[6-7]认为竹壁厚度不同，其干燥速度不同，而且打通圆竹竹节节隔可加快干燥速度，并能减少表面开裂。张齐生[8]认为材纤维排列整齐，厚度较小，在干燥过程中不会像木材那样产生扭曲变形和开裂现象。一般认为，为防止竹材变形或开裂，竹材的干燥温度不宜过高[9]，但也有研究表明当温度从60 ℃升高到120 ℃时，竹材没有出现开裂现象，原因是高温干燥降低了竹材内部细胞特别是软组织细胞的强度，使竹材产生皱缩，应力得以释放[10]。目前对竹材干燥的研究主要集中于竹片和竹条，对圆竹的干燥研究相对较少。毛竹和慈竹在竹材工业化利用中，是二种应用最广泛的竹种，本文主要对它们在气干过程中的主要物理特征进行研究。

1 材料与方法

试验材料为毛竹Phyllostachys pubescens和慈竹Sinocalamus affinis，毛竹、慈竹均4年生，毛竹采自湖南省益阳市桃江县；慈竹采自贵州省赤水市。圆竹长度1 300 mm，毛竹平均含水率76﹪，慈竹平均含水率74﹪。根据圆竹重量、竹壁厚度、圆竹直径将竹材分为3组，重量组分成1 500～2 000 g、2 000～2 500 g、2 500～3 000 g三个等级；竹壁厚度分成5～6 mm、6～7 mm、7～8 mm三个等级；圆竹直径分成50～60 mm、60～70 mm、70～80 mm 3个等级。每一组分的每一等级选取5个试样，并以该5个试样的平均值作为该等级的物理参数值，对圆竹的气干物理特征进行分析。

圆竹气干在通风良好的室内进行，气干时间从8月21日开始至10月13日止，共52天，使圆竹达到平衡含水率。气干条件为：室内温度24～36℃，相对湿度46﹪～81﹪。在干燥过程中，每2天定点、定位检测一次竹材的重量、竹壁厚度和圆竹直径。

2 结果与分析

2.1 气干过程圆竹的重量变化

毛竹与慈竹在气干过程中，虽然不同组分圆竹试件的重量存在一定差异，但就总体情况而言，随干燥时间延续，它们的重量变化具有大致相同的规律（如图1、图2所示）。在干燥前期（0～16天），二种竹材的重量变化均比较显著，而在干燥后期（16～52 d），它们的重量变化很小。但是毛竹与慈竹的重量变化仍然存在较大差异，其一，在干燥前期慈竹的重量变化比毛竹大，而在第16天以后，毛竹的重量变化比慈竹大，表明毛竹的干燥相对比较平稳。其二，毛竹与慈竹的不同组分的重量变化也存在一定差异，从图1和图2可见，在干燥前期，初始重量较小的组分，其重量变化相对较大，初始重量较大的组分的重量变化相对较小。对2种竹种各自的3个组分，在不同的干燥时间点上的重量取平均值，可得到如图1、图2所示的2种竹材气干重量变化曲线。

通过数学方法，可建立毛竹与慈竹重量随干燥时间变化的数学模型如下：

式（1）～（2）中：y1为毛竹重量，g；y2为慈竹重量，g；x为干燥时间，d，x=1，2，…，52。

图1 竹材重量随干燥时间的变化Fig.1 Change of mass of bamboo wood with drying time

图2 圆竹平均重量变化趋势Fig.2 Change trend of average mass of round bamboo

图3 不同组分圆竹的干燥终点脱水率Fig.3 Dehydration ratio of round bamboo of different groups at drying end-point

竹材重量的变化反应了它们在干燥过程中的脱水情况，重量变化越大，表明脱水率越高，图3反应了毛竹与慈竹达到平衡含水率时（干燥终点）的脱水情况。毛竹与慈竹各组分试件的干燥终点脱水率因初重不同，存在一定差异，但它们干燥终点的平均脱水率基本相同（40﹪左右）。

2.2 气干过程圆竹竹壁厚度的变化

竹材在干燥过程中由于内部水分的蒸发脱出，竹材会发生一定的收缩，图4反应了毛竹和慈竹的竹壁厚度随干燥时间的变化。由图4可见，在干燥前期（0～16 d），2种竹材的竹壁厚度都发生了较明显的收缩，而在干燥后期，2种竹材的竹壁厚度的收缩都已经很小，这与干燥过程竹材的水分蒸发是相对应的，即竹材的脱水率越高，其竹壁收缩也越大。对二种竹种各自的3个组分，在不同的干燥时间点上竹壁厚度取平均值，可得到如图4、图5所示的2种竹材的竹壁厚度随干燥时间的变化曲线。

图4 竹壁厚度随干燥时间的变化Fig.4 Changes of bamboo wall thickness with drying time

通过数学方法，可建立毛竹与慈竹竹壁厚度随干燥时间变化的数学模型如下：

图5 竹壁平均厚度的变化趋势Fig.5 Changing trend of average thickness of bamboo wall

式中（3）～（4）：y3为毛竹壁厚度，mm；y4为慈竹壁厚度，mm；x为干燥时间，d，x=1，2，…，52。

在气干过程中，毛竹与慈竹的竹壁厚度变化存在一定差异（如图6所示），虽然第1组试件毛竹的厚度变化率稍大于慈竹，但就总体情况而言，慈竹的厚度变化率大于毛竹，表明毛竹在厚度方向的收缩相对慈竹较小。其原因在于毛竹的密度大于慈竹，在相同的干燥条件下慈竹更容易发生干缩。从图4和图5还可看到，2种竹材从干燥开始，竹壁就开始发生收缩，这与K- TWu 的研究结论是一致的[10]，表明在竹材内部自由水开始蒸发的同时，竹材细胞壁中的结合水也发生了蒸发[11-12]，这与木材干燥是不同的。

图6 不同组分圆竹竹壁厚度变化率Fig.6 Changing ratio of bamboo wall thickness of each group round bamboo

竹壁厚度的收缩是圆竹在径向的收缩，虽然在收缩过程中会产生一定的收缩应力，但由于竹壁在径向具有较高的抗压能力，因此这种收缩只引起竹壁厚度变小，而不会发生开裂。

2.3 气干过程圆竹直径的变化

图7反应了气干过程中，毛竹与慈竹的直径随干燥时间的变化。由图7可见，在干燥过程中，毛竹与慈竹的直径变化都比较小，但它们的变化仍然存在一定差异。各组分毛竹试件直径的变化在整个干燥过程中均比较平缓、均匀；各组分慈竹直径的变化在干燥前期比较大，干燥后期很小。对2种竹种各自的3个组分，在不同的干燥时间点上圆竹直径取平均值，可得到如图8所示的2种竹材的平均直径随干燥时间的变化曲线。

图7 竹材直径随干燥时间的变化Fig.7 Changes of bamboo diameter with drying time

图8 圆竹平均直径的变化趋势Fig.8 Changing trend of average diameter of round bamboo

通过数学方法，可建立毛竹与慈竹直径随干燥时间变化的数学模型如下：

式（5）～（6）中：y5为毛竹直径，mm；y6为慈竹直径，mm；x为干燥时间，d，x =1，2，…，52。

就总体情况而言，毛竹直径的变化率稍大于慈竹（如图9所示）。圆竹直径的减小是圆竹竹壁在径向和弦向收缩的共同结果，竹壁在径向具有较高的抗压能力，但在弦向的抗张能力很弱。当竹壁发生弦向干缩时，竹壁内部会产生一定的弦向拉伸和压缩应力，当拉伸应力大于竹材的弦向抗张能力时，竹壁就会发生开裂。在本试验中，二种圆竹发生开裂的现象很少，其原因在于圆竹竹壁在其弦向的干缩较小。因此，在对圆竹进行干燥时，只要干燥条件变化不太剧烈，圆竹一般不会发生开裂现象。

图9 不同组分圆竹直径的变化率Fig.9 Changing ratio of diameter of each group round bamboo

3 结 论

（1）在气干过程前期，毛竹与慈竹的重量变化比较显著，在干燥后期重量变化很小。就干燥全过程而言，毛竹内部水分蒸发相对比较平稳，慈竹内部水分蒸发的阶段性变化较明显，但2种竹种在干燥终点的平均脱水率基本相同。

（2）在气干过程前期，2种竹材的竹壁厚度都发生了明显收缩，在干燥后期，竹壁厚度的收缩很小。就总体情况而言，慈竹的厚度变化率大于毛竹，表明慈竹在厚度方向的收缩比毛竹大。

（3）从干燥开始，2种圆竹的竹壁就开始发生了收缩，表明在竹材内部自由水开始蒸发的同时，细胞壁中的结合水也发生了蒸发。竹壁厚度的收缩是一般只引起竹壁厚度变小，而不会发生开裂。

（4）在干燥过程中，毛竹直径的变化比较平缓，慈竹直径的变化在干燥前期较大，干燥后期很小。就总体情况而言，毛竹直径的变化率稍大于慈竹。由于圆竹直径变化较小，只要干燥条件变化不太剧烈，圆竹气干不易发生开裂。

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[5] 孙照斌, 顾炼百. 龙竹干燥特性初步研究[J]. 西北林学院学报, 2004, 19 (2): 107-111

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Changes of physical characteristics of bamboo in process of air-drying

HAN Jian, LUO Dan
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The physical properties of Phyllostachys pubescens and Sinocalamus affinis，in the process of air drying，were tested and researched. The research results show that the changes of the bamboo weight and bamboo wall thickness were larger in the earlier stage of air drying，but smaller in the later stage of air drying; the moisture in Phyllostachys pubescens evaporated steadily，but the water evaporation of Sinocalamus affinis evidently changed with characteristics of stage，at the same time，the shrink of Sinocalamus affinis,in the thickness direction，was larger than Phyllostachys pubescens，in addition，the bamboo wood in high moisture content state had been shrunk in the beginning stage of air drying. In the process of air-drying the diameters of two kinds of bamboo changed very small,the change of the diameter of Phyllostachys pubescens was more smooth and steady, while that of Sinocalamus affinis was larger in the earlier stage, and lesser in the late stage. The change ratio of diameter of Phyllostachys pubescens, as a whole, was larger a little than that of Sinocalamus affinis. The round bamboo, in general, wouldn’t split because the diameter of round bamboo only occur very little change.

Phyllostachys pubescens; Sinocalamus affinis; air-drying; physical characteristics

S784

A

1673-923X (2012)07-0110-05

2012-04-19

国家“十一五”科技支撑计划项目（2008BADA9B0202）；中南林业科技大学人才引进基金项目（104-0133）

韩 健（1954—）男，湖南怀化人，教授、博士生导师，主要从事木材加工与人造板工艺的研究；

E-mail：hanjianwm@163.com

[本文编校：欧阳钦]