桉木干燥技术研究现状

陈松武，刘晓玲，陈柏旭，陈桂丹，罗玉芬，林家纯

(广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 53000)

桉树(Eucalyptusrobusta)又称尤加利树，是姚金娘科桉属植物的统称。桉树原产于澳洲大陆，属于速生材，由于其生长周期短、适应性强、产量高等特点，被大力发展人工林，用以缓解木材资源不足、森林资源贫乏等问题。近15年来，全球桉树人工林面积年平均增长110 hm2[1]，桉树人工林是全球最重要的人工速生林之一，其栽培面积约占世界人工林面积的15%。桉树于1984年被引种到我国后，桉树人工林种植发展迅速，成为我国最重要的人工速生林，目前，两广地区及海南省是国内桉树人工林的主要产地，为解决我国木材资源紧缺的现状做出了重要的贡献。

桉木结构细腻而均匀、质地硬，具有良好的力学结构，并且花纹美观，但由于桉木普遍存在生长应力大、渗透性差、内含物丰富的问题，常被应用于胶合板、纤维板和刨花板的生产。集成材、细木工板等产品也是近年来才得以发展，但桉木是典型的难干材，在干燥过程中易产生开裂、变形、内裂、皱缩等问题，这极大限制的桉木在实木加工利用方面的应用。桉木干燥缺陷一直都是桉木加工利用过程中的难题，多年来，木材行业的诸多专家致力于桉木的干燥工艺、干燥基准、干燥特性影响因素等各方面的研究，旨在探究出能够有效解决桉木干燥缺陷的方法，实现桉木的高值化利用。

1 影响桉木干燥的主要因素

桉木干燥特性与其木材性质是紧密相关的，经研究表明，桉木的树种、密度、生长应力、干缩性、渗透性、含水率等木材性质是影响桉木干燥特性的主要因素[2]，同时干燥温度、干燥湿度和气流循环速度等外界条件也是影响干燥质量的重要因素。

1.1 树种

桉树种类繁多，不同种间和种内的木材性质变异性明显，因此不同的桉木的干燥特性差异大[3]。如刘元[4]研究得圆角桉、柠檬桉的干燥速度分别为4级、5级，属难干材；而刁海林[5]研究结果为巨尾桉的干燥速度为2级，属易干材。由于桉木不同树种之间的差异性，以及由于立地条件、环境气候的不同，造成桉木的干燥特性差异增加。

1.2 密度

木材密度是木材的一个物理性能指标，对木材干燥特性具有重要的影响，许多专家通过对桉木密度的研究，发现其在种间、种内及株内均具有明显差异。木材的密度直接影响木材中水分传导的速率，由于桉木密度不均匀，尤其是早晚材的密度差异大，木材干燥过程中收缩不一致，产生干燥应力、引起开裂与变形[6]。

1.3 生长应力

木材在生长过程中，木材细胞在形成次生壁时会产生生长应力。桉木普遍存在较大的生长应力，特别是人工林的幼龄材的生长应力特别明显。生长应力大容易导致树木在砍伐、锯解、干燥过程中产生开裂现象。锯材的锯切方式不同造成干燥工艺差异，主要是因为生长应力的分布不同而引起，木材生长应力分布不同，导致板材在干燥过程中产生的开裂、翘曲变形等缺陷不一致，干燥工艺出现很大差异，弦切板和径切板的干燥表现出明显差异。

1.4 干缩性

桉木的干缩率较高，在各部位的干缩率差异大，且各向干缩率均不相同，因此在干燥过程中容易产生开裂、变形现象，从而使木材的强度降低。另外，大部分桉木的干缩率与1935年时Stamm A.J. 提出的S(干缩率)=f(纤维饱和点)×ρ(密度)的关系式不符，其干缩率与密度之间呈负相关，经研究，通过适当的调湿处理可减小桉木干缩率的差异，并使干缩率与密度之间的负相关性变得不显著[2]。

1.5 渗透性

桉木内富含的内含物、沉积物或纹孔上的附物会阻碍水分移动，渗透性差，木材体积干缩率下降，导致木材干燥过程中易产生皱缩[7]。

1.6 含水率

桉木的含水率分布不均匀且初含水率高，心材边材含水率差异大，心材含水率高。干燥初期，木材表层的水分移动速率较快，内层的水分移动速率较慢，内层和表层含水率梯度大，内层含水率还处于较高状态时，表层含水率已低于纤维饱和点，从而产生应力，当应力超过木材的横纹拉伸极限强度时，导致木材开裂。

1.7 干燥温度

温度是木材水分蒸发时必须获得运动能量的根源，是木材水分移动的速率的一个重要决定因素，干燥温度过高，会形成较大的含水率梯度，导致木材开裂。桉木的初含水率高，干燥初期应适当降低干燥温度，避免由于水分蒸发过快而导致含水率梯度增大，减轻木材开裂程度。

1.8 干燥湿度

在木材干燥中，需要测定空气的相对湿度，简称湿度。相对湿度是指在某一特定温度与压力下，单位体积空气中所含水蒸气的总量与在同一条件(温度、压力、体积不变)下空气呈饱和状态时所含水蒸汽之比率。干湿球温度差的数值越大，空气容纳水蒸汽的能力越强，湿木料中的水分蒸发越快；反之，介质越湿、干湿球温度差的数值越小，空气容纳水蒸汽的能力越弱，湿木料中的水分蒸发就越慢。在木材干燥过程中，通过控制窑内的干湿球温度差来控制干燥速度。

1.9 气流循环速度

在木材干燥过程中，气流循环速度是决定木材表面水分蒸发速度的一个重要因素，提高介质循环速度，木材表面水分快速蒸发，使木材内部水分快速移动到表面得以蒸发，干燥速度得以提高，其主要机理是介质的高速循环能够使木材表面的饱和蒸汽界面被破坏，促进木材与介质之间的传热、传质，提高干燥速度。但介质流速过高，会使木材表面的蒸发速度过快，导致木材含水率梯度过大，增加干燥缺陷的产生。

2 桉木干燥基准的制定方法——百度试验法

干燥基准是木材干燥工艺的依据，通过制定合理的木材干燥基准，控制干燥程序，使木材干燥质量得以保证。重点研究有效防止或减少皱缩和开裂缺陷的干燥基准是桉木干燥技术的关键。

百度试验法是20世纪60年代中期由日本的寺沢真提出的一种简易的干燥基准确定法[8]。到20世纪80年代，被我国的戴于龙首次引用，并成为我国木材干燥基准和工艺研究的主要手段。国内许多学者将百度实验法应用于桉木干燥基准的制定，并分析桉木的主要干燥缺陷。刘元[4]采用百度试验法得知前期开裂和皱缩是柠檬桉和圆角桉人工林木材的主要干燥缺陷，属难干材；杜国兴[9]和黄俊[10]采用百度实验法分别制定出了25 mm厚窿缘桉地板坯料和60 mm厚尾赤桉木材的干燥基准，干燥后的质量达到国家标准GB/T6491-1999《锯材干燥质量》规定的一级要求；吴义强[11]采用百度实验法制定了尾叶桉、大花序桉、巨桉、邓恩桉、尾巨桉、粗皮桉、巨尾桉共7种人工林桉树木材的干燥基准；甘雪菲[12]通过百度试验法制定了巨尾桉人工林小径木的干燥基准，同时研究了巨尾桉人工林小径木扇形锯材干燥特性，研究发现，在保证相等程度的干燥质量下，扇形锯材比板材的干燥周期短1/3，并能有效避免干燥缺陷；刁海林[5]采用百度实验法制定了25 mm厚巨尾桉板材干燥基准，其主要的干燥缺陷是内裂和截面变形，在实际生产过程中，推荐使用软基准。龙传文[13]采用百度试验法制定了预冻处理和未冻处理25 mm厚的粗皮桉板材干燥基准；刘媛[14]采用百度实验法制定了25～30 mm厚26年生大花序桉木材、25～30 mm厚尾巨桉幼龄材[15]和25～30 mm厚的桉树无性系大径材[16]的干燥基准，大花序桉木材的主要干燥缺陷是初期开裂，尾巨桉幼龄材和桉树无性系大径材的主要干燥缺陷都是截面变形。利用百度试验法制定的干燥基准为桉树的实木加工利用提供了重要的理论依据。

3 桉木干燥技术研究现状

3.1 国外研究现状

国外对桉木的干燥特性的研究要比国内早很多。早在1915年，Tiemann[17]就已发现桉木的皱缩现象，并持续进行深入研究，随后研究发现调湿处理可使桉木皱缩恢复，并在1934年首次提出了皱缩机理；Chafe[18-19]从20世纪80年代中期开始，也对桉木的干燥特性做了大量的研究，还提出了通过树木的选种、育种、无性繁殖来培育出无皱缩发生的木材质植株体的新型想法；Ilic[20]发现桉木的皱缩主要是由于干燥初期干燥温度过高引起的，随后将王桉木材置于-20 ℃进行预冻处理，可有效减少木材皱缩和开裂；澳大利亚学者[21-23]在提高桉木干燥速率的研究较有成效，研究结果表明微波处理可以明显改善桉木的干燥质量，大幅度提高干燥速率。

3.2 国内研究现状

国内于20世纪90年代开始对桉木的干燥特性进行研究。刘元[24]通过分析4种桉木的超微结构，发现桉木富含侵填体，影响其渗透性，是引起桉木干燥皱缩的主要因素之一；通过热处理，可改善部分桉树树种的木材皱缩缺陷，但并不是对所有树种均有效；刘元[4]同时比较了真空干燥、常规干燥、常规-真空干燥三种不同干燥方式在柠檬桉和圆角桉人工林木材的干燥速度和干燥质量方面的差别，研究结果表明常规-真空干燥为较优的干燥方式；陈太安[25]采用汽蒸处理恢复赤桉干燥皱缩，皱缩恢复主要发生于处理前期，后期恢复效果不明显，且皱缩恢复与木材的吸湿具有较强的相关性；王喜明[26]通过热压干燥工艺研究桉树人工林木材干燥过程曲线，结果表明，桉木干燥速度随木板厚度增加而减慢，随温度的升高而加快；巫国富[27]以人工林邓恩桉树为试验材料研究出了自然气干+窑干+喷蒸调湿处理的联合干燥法，该联合干燥法与单一干燥法相比，可有效改善因干燥应力和生长应力引起的皱缩和开裂缺陷；任世奇[28]对不同桉树无性系、不同树干高度位置木材进行干缩性研究，研究结果表明，不同无性系、树干高度位置的木材具有不同的干缩性能，不同无性系间的木材干缩特性的变异较小，不同树干高度的木材干缩特性变异较大；刘宏达[29]探讨预热处理对尾巨桉木材干缩性和材色的影响，研究结果表明，100 ℃饱和蒸汽对材色的影响不明显，但可降低尾巨桉的干缩性；120 ℃过热蒸汽处理对桉木诱发变色效果较好，但使尾巨桉在干燥中产生皱缩、内裂等较多的缺陷；曹永建[30]通过高温干燥处理提高了桉木(巨桉、尾巨桉、尾叶桉)的抗干缩性能，干燥处理温度和时间是影响木材干缩性能的两大重要因素，其处理温度的影响较为显著，经研究，在220 ℃、5 h的干燥处理条件下，巨桉、尾巨桉和尾叶桉木材的抗干缩性能明显提高，分别提高了76.37%、70.43%和68.24%；姚幸之[31]以巨尾桉为试材，研究了超声波预处理对桉木干燥时间的影响，在一定功率(340 W)下，探讨不同的频率(25、59 kHz)、不同的预处理时间(30、60、90 min)对干燥时间的影响。研究结果表明，超声波预处理可促使木材内部微小孔道的形成，可促进木材内部水分的移动，随着超声波频率的提高、预处理时间增加，干燥时间缩短、水分扩散系数增大，特别是含水率高于纤维饱和点时，干燥速度显著提高[32]。

4 桉木的主要干燥缺陷及解决措施

4.1 主要干燥缺陷

4.1.1 皱缩 皱缩[33]也称溃陷，是不规则且不正常的收缩，主要是由木材干燥过程中温度高，木材内的自由水移动速率过快而产生的干燥应力、毛细管张力引起的。木材皱缩的机理主要是木材内的自由水填满了细胞腔，无气泡存在于细胞腔内，且细胞壁的纹孔膜上的微孔直径较小，因此木材细胞壁的气密性较高。当木材干燥过程中，自由水移动，使纹孔膜上产生较大的毛细管张力，由于自由水的连续移动，将毛细管张力传递到细胞壁，木材细胞的横纹抗压强度不抵毛细管张力时，细胞溃陷，木材就出现皱缩；此外，干燥应力也是导致木材皱缩的主要动力，干燥应力大于木材细胞的横纹抗压强度时，木材就会皱缩。皱缩是桉木干燥过程中最严重的缺陷，一直也是桉木加工利用最难解决的问题。

4.1.2 开裂 木材开裂[34]的主要原因是干燥不均匀及各方干缩的差异，由于木材纵向分子与木射线相交之处的结合力弱，当木材的拉伸应力超过其拉伸强度时，木材大多会沿着垂直于年轮而平行于木射线的方向开裂。开裂包括端裂、表裂、内裂。开裂是桉木在干燥过程中常见的缺陷。

(1) 端裂：指木材端面沿径向发生的裂纹。由于桉树原木存在较大的生长应力，生长应力在立木阶段得以自我平衡，桉木在锯解过程中，平衡受到破坏，生长应力释放，从而导致端裂[6]；在干燥过程中，木材端面的水分蒸发过快，当靠近端面部位的含水率低于纤维饱和点时，端部细胞收缩并产生干缩应力，当其超过木材强度极限时，就会出现端裂现象。由于髓心是射线薄壁细胞最聚集之处，其横向抗拉强度非常低，因此木材通常都会在髓心处发生端裂。

(2) 表裂：指木材表面沿木射线发生的纵向裂纹。干燥初期，桉木的初含水率高，且心边材含水率差异大，干燥初期温度高，水分移动过快，容易导致表裂；干燥初期，表面张力过大导致表裂，随着干燥的进行，表面张力达到最大值后逐渐减小，木材表面的裂纹也随之减小，对于轻度的裂纹，在干燥的中、后期可完全闭合。

(3) 内裂：指在木材内部沿木射线发生的裂纹，也称蜂窝裂。内裂需要将木材锯解后方可观察到，内裂常发生在干燥后期，由于干燥后期木材表面硬化，干燥温度高，干湿球温度差大，容易导致木材内部张应力过大，因此致使内裂的产生；此外，桉木过度的皱缩也是导致内裂产生的一个因素。内裂属于较为严重的干燥缺陷，会严重影响木材各方面的性能，通常不允许发生。

4.2 解决措施

4.2.1 预处理

(1)预冻处理

对木材进行预冻处理，使存在于细胞腔内的自由水发生相变，即自由水凝固成冰，同时使存在于微毛细管中和细胞壁中的抽提物和吸着水发生迁移并重新分布。龙传文[15]对粗皮桉木材进行预冻处理，研究结果发现，预冻处理可有效减少木材初期开裂、内裂、截面变形和皱缩的产生，其机理主要有：①细胞腔中的冰融化成液态水时产生的气泡，可以缓解或消除自由水蒸发时产生的张力对木材细胞的作用；②自由水凝固成冰，体积膨胀，对细胞壁产生压应力可以增加细胞的强度；膨胀的同时会破坏纹孔膜而减少毛细管张力；③预冻处理过程中破坏纹孔膜的同时，也部分破坏薄壁细胞的细胞壁，破坏细胞的气密性，自由水的移动途径得以扩增，即在一定程度上破坏木材细胞皱缩的基本条件。

(2) 热处理

左春丽[35]分析了对木材热处理的相关研究，热力作用会一定程度上破坏木材导管射线间的纹孔膜，扩大水分移动途径，增加木材的渗透性，减少发生皱缩细胞的数量，进而减少皱缩的发生。虽然热处理可改善木材皱缩的现象，改善桉木的干燥特性，但是桉木树种不同，其效果也不同，刘元[37]发现细叶桉和多枝桉的热处理材产生的皱缩仅为未处理材的一半，热处理效果明显；但赤桉的热处理材和未处理材的效果基本一样。

(3) 微波预处理

周永东等人[36-39]分析了微波预处理对桉木应力、微观构造及人工林木材干燥特性的影响，发现利用高强度的微波场，使水分高速转动并摩擦生热，高含水率的木材迅速升温，木材水分快速汽化，使木材内部的蒸气压迅速增高，受高蒸汽压力的冲击，木材内各级微观构造(木射线细胞、薄壁细胞、纹孔膜、厚壁细胞等)产生不同程度的裂隙，从而增加了水分自内向外移动的路径及通道，增加木材的渗透性。因此，在木材干燥过程中水分蒸发的前沿能较长时间维持在木材表面，使拉应力得以有效减小，从而减少表面开裂的产生；同时，通过微波预处理，加热速度快，且温度梯度小，木材内部应力松弛率得以显著提升，使得木材残余应力得以释放。江涛[40]采用微波辐照与巨尾桉木材进行预处理，发现微波预处理可改善木材渗透性，但对木材的静曲强度和弹性模量影响不大。

4.2.2 两段式干燥工艺 木材在干燥初期，由于含水率高、干燥温度高，易导致产生皱缩和开裂。Innes[41]研究发现在木材干燥过程中，控制在临界温度以下可有效避免皱缩和开裂的发生，采用气干+窑干两段式联合干燥法可有效解决桉木的皱缩和开裂问题。通过控制干燥温度和喷蒸处理，干燥初期采用低温高湿的软基准气干法，将桉木干燥至20%～25%含水率，再转换为硬基准窑干法干燥至需要的含水率。软基准通常是指干湿球温度差较小、气流速度相对较慢的干燥基准，即干燥初期的介质温度控制在约40～50 ℃的低温状态，干湿球温度差控制在约2～4 ℃的较小差值范围内。

4.2.3 微波干燥 微波干燥是将一定含水率的木材作为电介质，木材在微波磁场中，微波能量传递到木材内部水分中并被转化为热能，对木材内外部进行“整体”加热。采用微波干燥木材，可增加木材细胞壁的通透性，从而提高木材的渗透性和扩散型，同时，微波具有强的穿透力，加热均匀，在温度梯度和含水率梯度下，可有效的提高木材干燥速率，减少木材开裂现象，保证木材质量。

4.2.4 加压或拉伸处理 Yang[42]研究了施加压应力和拉伸力对桉木木材干燥特性的影响，发现施加压应力可减少皱缩现象的发生，但对皱缩恢复及改善木材干燥特性效果不明显；施加拉伸力，木材在拉伸力的作用下，木材细胞得以恢复，从而可减少木材的总皱缩量。寺沢真[43]研究也发现，在对木材径切面施加10～100 kPa的拉伸力时，木材皱缩程度会随着拉伸力的增加而逐渐减小。

4.2.5 后期调湿处理 后期调湿处理可使已发生皱缩的木材部分皱缩恢复，其机理是皱缩细胞还未被真正破坏，在高温高湿的条件下，木材细胞壁中微纤维的熵弹性使细胞几乎得以恢复到原貌[2]。经研究发现，当木材含水率为15%～20%时，在干球温度100 ℃、相对湿度为100%的条件下，进行调湿处理，其皱缩恢复效果最佳[44]。

5 结论与展望

桉木在干燥过程中发生的皱缩、开裂、变形等缺陷，严重制约了桉树实木加工利用的发展。分析研究了影响桉木干燥质量的主要因素，归纳概括了目前国内外学者们对于桉木干燥的预冻处理、后期调湿处理以及热处理等处理技术，可以改善桉木的皱缩和开裂等缺陷，提高桉木的干燥质量，从而提高利用率，实现桉木的高值化。另外，百度试验法作为制定桉木干燥基准的主要方法，为桉木干燥工艺提供了依据。除了百度试验法，其他学者[45-46]提出采用材性法制定木材干燥基准，该方法以基本密度、晚材率、弦径向干缩系数比、年轮曲度、锯材尺寸等木材材性指标为确定因子，建立确定因子与干燥基准之间的关系模型。与传统的百度试验法相比较，材性法具有简易、省时、准确、干燥质量良好等优点，可作为桉木木材干燥基准研究的方向。

为最大程度对桉木进行开发利用，突破桉木低值低效的局面，必须解决桉木干燥皱缩的瓶颈，深入探究其皱缩机理，对后期调湿处理、预冻处理继续进行拓展研究，深入研究预处理和后期调湿处理过程中的生长应力应变规律和皱缩恢复规律，同时考虑采用微波干燥等其他处理方式来提高桉木干燥质量，以提高桉木附加值，为桉木实木加工的高值化应用提供理论依据和指导。