铁木豆干燥基准的初步研究

2015-04-17张桂兰张振涛王清平

绿色科技 2015年5期

刘杰，张桂兰，张振涛，王清平

（1.内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，内蒙古呼和浩特010018；2.中科院理化技术研究所，北京100190）

1 引言

铁木豆属于大乔木的一种，主要分布在非洲和美洲的热带地区，心边材区别明显，边材浅黄白色，芯材红褐色至紫褐色。铁木豆的材色和花纹美观，纹理交错、结构细而匀，气干密度0.7～1.15g/cm3，材质致密硬重，强度大，并且耐腐耐虫蛀。在2001年底以前，铁木豆被鉴定为黄檀属红酸枝木，2002年初已正式确定其不属于红木类，但由于其良好的材质、外观等特性，铁木豆木仍具有很好的经济价值，可用做高档实木家具、雕刻、承重地板等。而作为木材加工利用的第一道工序－木材干燥在木材经济、利用价值上有着重要的作用。因此，确定出适合铁木豆的干燥基准，从而提高其利用率很有意义。

2 材料与方法

2.1 材料及设备

试验材料是由中山鸿发红木家具公司提供的从非洲进口的木材，含水率基本在600%左右的范围内，选择无可见缺陷的弦切板和径切板，截取规格为200mm×100mm×20mm的试件，四面刨光，其中径切板作为对比实验，不作为制定基准的依据。

设备选用：电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学有限公司；天平，奥豪斯仪器（上海）有限公司 GB/T 26497；游标卡尺，上海恒量量具有限公司0～150mm；小带锯。

2.2 试验方法

本试验采用百度法试验法，百度试验是日本教授寺尺真采用欧美的干燥基准系列，并根据37种树种的木材干燥特性，经过多年的实验和研究，总结出的一种预测木材干燥基准的方法［1］，具体的操作步骤如下。

（1）干燥前。试样制成后立即测量实际尺寸，精确至0.1mm，并用天平称重，精确至0.1g。

（2）干燥过程。干燥过程中将鼓风式电热恒温箱调至103℃±2℃，将试样竖立放置，开始进行干燥。在此过程中定时取出试样观察、称重、记录其干燥全过程，主要观测初期开裂。观测及称重时间间隔取决于木材树种和含水率的变化。最初间隔时间为1h，以后延长到2h。当表裂开始愈合时，间隔时间可延长至4～6h。

（3）干燥结束后。待测得两次重量基本不变时，停止烘干，此时含水率可达到1%左右。称重并测量试件内裂、扭曲、顺弯、瓦弯、初期开裂等情况；沿长度方向，在试件中间的部位锯取15mm宽的含水率试验片，测定其含水率并计算出试件的全干重。在试样的新截断面观测内裂、截面变形程度［2］。

3 结果与分析

3.1 干燥特性曲线

根据铁木豆试样在干燥各阶段的重量变化以及最后的绝干重量，计算出铁木豆干试件干燥过程中各阶段的含水率，从而绘制出铁木豆试件的含水率随时间的变化趋势即干燥特性曲线，如图1所示。由图1可知，含水率在30%以上时，主要蒸发的是自由水，所以干燥速度较快，含水率在30%以下，蒸发的水分主要是结合水，速度要远小于前一阶段，而达到10%以下时，水分蒸发的则更加困难。

图1 铁木豆干燥特性曲线

3.2 干缩特性

根据铁木豆在干燥箱中各阶段尺寸变化的记录，计算出铁木豆的弦向、径向、纵向干缩率，并绘制出干缩曲线如图2所示。由图2可以看出，铁木豆试件干缩的变化规律大致可分为3个阶段，第一阶段为含水率在30%～60%左右，随着锯材内自由水的不断减少，干缩率成正比的增加，第二阶段为含水率在11%～30%左右时，锯材收缩率的变化趋势变缓，这可能是由于此阶段锯材内自由水已经完全蒸发干净，第三阶段为在平衡含水率至绝干的阶段，此阶段的干缩率增加速度又有所上升，最后在绝干时达到平衡。

图2 铁木豆干缩特性曲线

3.3 干燥基准的确定

3.3.1 确定干燥缺陷等级

根据100℃干燥实验所观察记录的数据，参照百度试验干燥等级标准［3］，确定了铁木豆试件的主要干燥缺陷等级，如表1所示，试件初期开裂等级为5，截面变形等级为3，内部开裂等级为1。

表1 铁木豆干燥缺陷等级

3.3.2 干燥基准

根据铁木豆试件弦切板的干燥缺陷等级，按照百度实验干燥特性等级与干燥条件对应表［4］，确定铁木豆干燥初期条件如表2。

表2 铁木豆干燥初期条件

由表2可知，该树种2.5cm厚木材的干燥基准介质条件为：初期温度40℃，初期干湿球温度差为1.5～2℃，末期温度为75℃。根据含水率与干湿球温度差关系表［5］，得出2.5mm厚铁木豆锯材的干燥基准如下表3。

表3 铁木豆干燥基准

3.4 其他干燥特性

3.4.1 初期开裂

初期开裂是因为木材表层与芯层收缩不均形成内应力而导致的。干燥初期，试件的含水率很高，在高温的条件下加热，水分蒸发的很快，在试件表面水分移动路径短，则蒸发的更加迅速，容易形成含水率梯度。当木材表层的含水率已经下降到了纤维饱和点以下，而木材内部的水分还保持在纤维饱和点以上很高时，表层因结合水的析出而收缩，内层却阻碍这种收缩，形成内压外拉的应力，这种应力一般在干燥初期产生，使木材产生开裂，而后会随着干燥的进行出现愈合的趋势［6］。初期开裂与木材干燥初期湿度关系最大。试验表明，铁木豆的初期开裂非常严重，表裂、宽裂的数量都很多，初期开裂等级为5级。

3.4.2 截面变形

试件出现截面变形主要是因为木材细胞在高温条件下出现塌陷，从而到时试件表面凸凹不平［7］。将试件从中间锯开，铁木豆试件的截面变形值在1.0～1.9mm之间，等级为3。

3.4.3 内部开裂

随着百度试验进入到后期阶段，试件表面的水分已经很低，而内部的结合水往外蒸发，形成了外压内张的含水率梯度，这种应力的不断增大，会导致试件的内部开裂［8］。试验试件基本上没有出现内裂，只有个别试件出现的轻微的裂痕，内裂等级为1.

3.4.4 扭曲变形

由于木材构造上具有各向异性，在干燥过程中各个方向上的收缩不一致，会导致试件的扭曲变形［9］。试验结果表明：铁木豆试件的扭曲平均值为1.5，扭曲等级为2。