大断面欧洲赤松的真空变定—高频干燥1)

刘洪海 杨琳 吴智慧 姜涛 李兴畅

(南京林业大学，南京，210037) (华南农业大学) (太兴家具有限公司)



大断面欧洲赤松的真空变定—高频干燥1)

刘洪海 杨琳 吴智慧 姜涛 李兴畅

(南京林业大学，南京，210037) (华南农业大学) (太兴家具有限公司)

对大断面欧洲赤松(Pinussylvestris)进行真空变定/真空高频干燥及高温变定/高温干燥，对比研究木材表面变定对干燥材含水率分布、颜色变化及开裂的影响。结果表明：与高温变定/高温干燥相比，真空变定/真空高频干燥后木材含水率在长度及厚度方向分布均匀，但厚度方向上与高温干燥相反，呈现心层低、表层高的趋势。总处理时间基本一致，但高频真空干燥时间比高温干燥少9 h，干燥速度更快。高温干燥的L*、a*、b*及ΔE*的变化幅度分别是高频真空干燥的2.9、1.8、3.0及2.9倍，高频真空干燥后木材变色小，干燥后表面开裂宽度及长度比均小于高温干燥。干燥后木材含水率及开裂符合GB/T 6491—2012Ⅲ级室外建筑用材标准，对大断面木材做真空变定/真空高频干燥是一种更为优良的干燥方法。

真空变定；高频真空干燥；大断面木材；干燥质量

Scots pine (Pinussylvestris) with large cross sections were dried using radio-frequency/vacuum and high temperature after vacuum setting and high temperature setting respectively. Compared with high temperature setting, the moisture content distribution along fiber and cross section after vacuum setting-drying was even, while that was low in the central location and high in the outer location at the cross section. The total treatment time was almost same, but radio-frequency/vacuum drying was faster as much as 9 h. The discoloration parameter ofL*,a*,b*and ΔE*were 2.9, 1.8, 3.0 and 2.9 times to radio-frequency/vacuum. The surface crack situation was smaller than high temperature drying. The moisture content distribution and cracks met the national standard GB/T6491-2012Ⅲ, and the vacuum setting with radio-frequency/vacuum drying was a practical drying method for large dimension timbers.

木材是一种黏弹性材料，在水分变动条件下受到外力作用时，其变形异常增大[1]。在外力解除后，所形成的变形大部分残留为永久变形[2]，木材这种在应力条件下干燥过程中发生的变形现象称之为变定[3]。干燥过程中形成的变定使材料产生表面硬化、应力集中等问题，在一定程度上影响了木材的使用[4]。但利用干燥过程产生的变定能有助于减少木材表面开裂，而且还能改善某些特殊尺寸木材的干燥质量。

近几年来，我国木结构建筑行业迅猛发展[5]，大量的大尺寸木材需要高效、快速、高质量的干燥。在日本等发达国家利用高温变定[6-11]处理大断面木材，通过饱和蒸汽蒸煮木材使表面细胞软化，然后在120 ℃左右的高温低湿条件下使木材表面急速干燥，导致软化后处于拉伸状态的木材表面被塑化固定，进而减少高温干燥产生的表面开裂。但是经过高温变定处理及干燥的木材存在变色严重、木材强度下降、干燥后期容易产生內裂等问题，降低了木材干燥质量。

高频真空干燥能在较低的温度下快速干燥木材，既能保证木材的天然色泽，又能保证干燥速度和良好的品质[12-17]，尤其适合于大断面木材的干燥。本研究利用高频真空联合干燥设备，在真空负压条件下对木材表面进行塑化变定处理，然后再进行高频真空干燥，并与高温变定干燥进行对比，研究真空塑化变定干燥对木材含水率、开裂、变色等干燥质量的影响。通过上述实验来探讨抑制大断面木材表面和内部开裂及变色等问题的真空变定/高频干燥的方法和工艺。

1 材料及方法

1.1 材料

大断面欧洲赤松方材(Pinussylvestris)，当地木材市场购置，产地芬兰，为含髓心方材，初含水率约为50%。规格260 mm×135 mm×4 000 mm，合计27根。3根用于初含水率检测，另外24根分别用于真空变定/真空干燥和高温变定/高温干燥。

1.2 设备

高频真空热风联合干燥设备，型号HTC-5，有效容积为5 m3(株式会社Yasujima)，用于木材真空变定处理及后期高频真空干燥；高温干燥设备，型号Nagano kagaku HTD-8，有效容积8 m3(株式会社Nagano)，用于材高温变定处理及后期高温干燥；CR-321 Croma全自动色差仪(株式会社Minolta)，用于木材干燥前后颜色的测定。

1.3 方法

1.3.1 含水率及表面开裂检测

初含水率检测：在27根试材中选取质量较大的3根试材，两端头起200 mm及试材中间位置处截取20 mm厚初含水率试片3片，共计9片；利用烘干法测量含水率，取平均值为初含水率。

终含水率及其分布：干燥结束后，选取6根(见图1b)代表性木材，在每根试材两端起200 mm及中间位置处，截取3片20 mm厚终含水率试片，共计18片。按图1c所示方式标记并劈切，首先沿y轴方向劈下表层左右2块木块，然后再沿x轴方向劈下表层上下2块木块；按照上述方法再次劈下中间层的左右及上下4块木块；最后剩下的就是心层木块。将劈下的所有含水率试件立即放入密封袋内，最后利用烘干法[18]测量含水率试片表层、中间层及心层的含水率，进而评价其干燥后含水率分布情况。

表面开裂：参照GB/T 6491—2012，测量所选6根试材的表面开裂长度及宽度。表裂宽度在0.5 mm以上做统计，并取平均值；表裂长度自开裂起点起，测量裂纹的全长，在材长上将根裂纹彼此相隔不足3 mm的连贯起来计算裂纹，相隔3 mm以上的测量其中最严重的一根裂纹，计算开裂长度与材料总长度的长度比并取平均值。通过与高温变定法进行比较来评价真空变定对表面开裂的抑制作用。

a.试材装载 b.终含水率检测位置 c.分层含水率检测示意

图1 试材装载及含水率检测

1.3.2 真空表面塑化变定干燥工艺

工艺过程(表1)：①真空蒸煮(罐内压力9.3～10.0 kPa，蒸煮93 ℃，保持4 h)；②真空表面塑化变定处理(罐内压力44.0～46.7 kPa，干球温度92～94 ℃，湿球温度78～80 ℃，保持22 h)；③高频真空干燥(罐内压力40.0～42.7 kPa，材温70 ℃，高频0.66 kW/m3，8.0 h；1.33 kW/m3，24.0 h；1.77 kW/m3，干燥终了)。

在蒸煮之前对真空罐进行预真空处理，使罐内的压力降低至9.3～10.0 kPa，通过预真空来除去真空罐内木材之间的空气来实现木材快速蒸煮、加热。经过4 h、93 ℃蒸汽蒸煮后进入真空变定阶段，此时提高罐内压力至44.0～46.7 kPa，开启顶层极板上部加热器和循环风扇，对材堆进行强制循环对流加热，维持罐内干球温度93 ℃，整个真空变定阶段风扇每隔2 h进行自动换向。此阶段，由于木材表面温度为93 ℃，而对应于环境压力(44.0～46.7 kPa)的水的沸点为78～80 ℃，因此经过蒸煮后木材表层的水分能够急速蒸发，进而使木材表面快速干燥并形成塑化变定。经22 h的塑化变定处理之后，在真空条件下，控制材温为70 ℃左右，利用高频干燥来抑制内裂和木材变色。

1.3.3 高温塑化变定干燥工艺

工艺过程(表1)：①蒸煮过程(93 ℃，保持4 h)；②高温塑化变定过程(120 ℃，保持10 h)；③高温干燥过程(110 ℃，61 h)。将干燥试材放置在高温干燥设备内，首先进行木材蒸煮，湿球温度设置为93 ℃，待湿球温度升高到93 ℃后，保持4 h；然后对干燥材实施高温塑化变定，升高干球温度至120 ℃，调整湿球温度为90 ℃，变定处理时间10 h；变定处理之后进入木材高温干燥阶段，保持干球温度110 ℃、湿球温度90 ℃至干燥结束。

1.3.4 干燥后木材颜色变化检测

真空变定及高温变定干燥前，各选取前述用于含水率检测的6根木材，在每根木材两端及中间的位置6点作标记，测量其L*、a*和b*及ΔE值。其中：L*为明度，a*为红绿色品指数，b*为黄蓝色品指数；ΔE*(总色差)=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2，数值越大，表示干燥前后试材颜色差别越大。按照前述干燥工艺对试件进行干燥，干燥结束待木材冷却至室温后，再次测量标记点的颜色值；然后通过颜色参数值的变化来研究干燥方法对木材颜色变化的影响，检测位置的平均值为其具体颜色参数。

表1 真空及高温干燥变定处理条件、干燥时间及干燥后终含水率

2 结果与分析

2.1 干燥后木材含水率及其分布

表2是高频真空塑化变定干燥及高温变定干燥前后的含水率情况，干燥后的平均含水率[18]由终含水率检测试片含水率的平均值计算得到。可以看出干燥前试材的含水率差异较大，最高与最低含水率差为25.8%，表明生材的含水率分布不均匀。高频真空干燥后的平均含水率最大差值为5.7%，从均方差的比较中也可以看出，真空塑化变定干燥后试材的含水率分布变得均匀，与高温干燥基本一致。表3是干燥后含水率沿木材长度方向及木材横断面上的分布情况。可以看出，无论是高频真空干燥还是高温干燥，含水率在长度方向上的分布比较均匀，但在厚度方向上可以明显看出含水率分布差异。高频真空干燥和高温干燥含水率在厚度方向分布趋势不同，高频真空干燥的心层含水率最低，表层含水率要高于中间层和心层；而高温干燥则呈现心层含水率最高，由芯层到表层逐渐降低的趋势。在厚度方向分布均匀程度方面看，高频真空干燥表层和中间层差异大，而高温干燥要小，心层的差异大体一致。由此可知，高频真空加热干燥含水率分布在厚度方向上是有差异的，这也符合以往文献中的介绍[19]。通过比较，本次干燥实验的终含水率及其在断面、长度方向上的分布均满足日本JAS构造用材II级和我国GB/T 6491—2012Ⅲ级室外建筑用材标准。

表2 真空及高温干燥变定处理前后木材含水率 %

表3 真空及高温变定干燥后木材含水率分布 %

2.2 干燥时间比较

表1是真空塑化变定干燥和高温变定干燥条件及干燥时间的对比。两种干燥方法均由蒸煮、变定及干燥3个阶段组成。从总时间上看，高频真空干燥时间略长，但是真空条件下高频干燥的时间只有52 h，而高温干燥是61 h。虽然在蒸煮和真空变定阶段木材中有一部分水分被脱除，但大部分水分的脱除还是在高频真空干燥阶段，因此高频真空干燥的速度要快。负压和高频内部加热，加速木材内部水分在低温条件下快速气化甚至沸腾，水分以气体形式在内外压力差的作用下快速迁移到木材外部。此外，可以看出真空变定处理的时间是22 h，而高温变定只有10 h，比高温变定多12 h，导致总时间变长。

2.3 干燥后木材颜色变化

表4是真空塑化变定干燥和高温变定干燥后木材变色的对比。可以看出两种干燥方式使试材的L*、a*和b*均有改变，但高温干燥对试材颜色变化影响显著。可知，高温变定干燥的L*值降幅为16.5%，a*增幅为54.3%，b*增幅为65.1%，与真空塑化变定相比L*、a*和b*的变化幅度分别为2.9、1.8、3.0倍。此外，高温干燥ΔE*(总色差大小值)是塑化变定干燥的2.9倍。经目视观察，真空塑化变定干燥后的试材颜色变化很小，而高温干燥后试材呈现黄褐色。高温干燥导致木材颜色变化较大可能是半纤维素的降解和木质素的综合反应所致，由此可知与高温干燥相比，真空塑化变定干燥对木材变色影响很小。

表4 真空塑化变定及高温变定干燥后材色比较

2.4 干燥后的木材开裂

表5是经过两种变定处理及干燥后的木材开裂情况。干燥结束后统计了所选6根试材的表面开裂长度及宽度。对表裂宽度在0.5 mm以上的进行统计，并取其平均值进行比较。开裂长度则由开裂起点起，测量裂纹的全长。在材长上将根裂纹彼此相隔不足3 mm的连贯起来计算裂纹长度；相隔3 mm以上的开裂则测量其中最严重的一根裂纹，最后计算开裂长度与材料总长度的长度比，并取平均值进行比较。可知，两种塑化变定处理及干燥后木材的开裂情况大体一致，真空塑化变定干燥的开裂宽度及开裂长度比都小于高温干燥。真空条件下干燥温度较低，水分以蒸汽的形式从木材内排出，干燥应力变小，加之前期表面塑化变定处理[12]，有效抑制了木材的表面开裂。通过终含水率试验片观察检测，干燥后试件均无内部开裂发生。本次实验结果满足日本JAS构造用材II级和GB/T 6491—2012Ⅲ级室外建筑用材标准关于开裂方面的要求。与常规低温蒸汽窑干相比，高频真空及高温干燥都是快速的干燥方法[13，15]。本次试验中的真空塑化变定处理干燥工艺取得与传统高温变定处理相同的效果，不仅有效防止大断面木材干燥过程的表面开裂，还能减少木材变色，是一种更为理想的干燥工艺，为我国木结构建筑大断面木材干燥提供有益的参考。

表5 真空变定干燥和高温变定干燥材的开裂对比

3 结论

真空变定/真空高频干燥后木材含水率在长度及厚度方向分布均匀，但厚度方向上与高温干燥相反，呈现心层含水率低、表层含水率高的趋势。两种变定/干燥方法的总处理时间基本一致，但经变定处理后真空高频干燥时间比高温干燥少9 h，干燥速度更快。

高温干燥的L*、a*、b*及ΔE*的变化幅度分是真空高频干燥的2.9、1.8、3.0及2.9倍，真空变定/真空高频干燥后木材变色小。真空变定/真空高频干燥后表面开裂宽度及长度比均小于高温变定/高温干燥。真空变定/真空高频干燥是一种快速且高品质的大断面木材干燥方法。

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Effect of Vacuum Drying Set and Radio-frequency/vacuum Drying on Wood Quality//

Liu Honghai, Yang lin, Wu Zhihui(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China); Jiang Tao(South China Agricultural University); Li Xingchang(Taixing Furniture Co., Ltd)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(2)：61-64.

Vacuum drying set； Radio-frequency/vacuum drying; Large cross section timber； Drying quality

1)国家自然科学基金项目(31570558、31500479)；中国博士后基金面上项目(2015M581805)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)；青蓝工程资助。

刘洪海，男，1975年6月生，南京林业大学家居与工业设计学院，副教授。E-mail:seaman-liu@163.com。

杨琳，南京林业大学家居与工业设计学院，副教授。E-mail：forest-yang@163.com。

2016年10月17日。

S781.71

责任编辑：戴芳天。