含水率与温度对巨尾桉汽蒸效果的影响及机理研究

孔璐璐 赵紫剑 何正斌 伊松林

(北京林业大学木材科学与工程北京市重点实验室，木质材料科学与应用教育部重点实验室，北京 100083)

桉树是桃金娘科 (Myrtaceae) 桉属 (Eucalyptus)、杯果木属 (Angophora)、伞房属 (Corymbia) 3个属树种的总称，共有1 039个种、亚种或变种[1]。我国自1890年引进桉树，现已有300多种，进行育苗造林的有200多种。桉树现已成为我国三大造林树种之一，人工林面积居世界第三，是重要的木质资源之一[2]。巨尾桉 (Eucalyptusgrandis×E.urophylla) 系巨桉 (Eucalyptusgrandis) 和尾叶桉 (E.urophylla) 的杂交树种，具有生长量高、抗逆性好、适应性强、性状优良等特点[3]，可广泛应用于实木单板、复合板、指接板以及建筑、装修等方面。但其生长应力大、密度不均匀、尺寸稳定性差、渗透性低、易皱缩、变形、开裂等缺点[4-5]限制了巨尾桉的应用范围和高附加值的实木化应用。

良好的干燥质量是提高巨尾桉加工产率和使用价值的关键。为保证其干燥质量，缩短干燥周期，现有工艺对其进行冷冻、微波、汽蒸、水煮等预处理，并取得了一定的成效。其中汽蒸处理成本低、易操作、实际应用性强，无化学污染，因此具有良好的应用前景。汽蒸预处理可减少桉木含水率梯度、内应力，降低皱缩、开裂等级，并可使干燥速度提高7%～16%[6-8]。陈太安[9]以人工赤桉 (Eucalyptuscamaldulensis) 材为研究对象，发现经4 h的常压饱和蒸汽处理能够有效地防止皱缩。刘宏达等[10]分别采用100 ℃的饱和蒸汽和120 ℃的过热蒸汽对巨尾桉进行汽蒸处理，发现100 ℃的饱和蒸汽可以使巨尾桉的干缩性降低，且材色无明显变化，而120 ℃的过热蒸汽预处理后巨尾桉出现较多皱缩、内裂等缺陷。郑丽霞[11]研究表明，汽蒸处理可以提高巨尾桉抗弯强度和弹性模量，减小差异干缩和残余应力，使纹孔膜破裂从而提高其渗透性。郭月红[12]采用汽蒸-微爆破的联合处理方法，发现处理后的巨尾桉尺寸稳定性提高，抗干缩性能良好，但仍不能避免表裂和端裂。尽管目前对桉木的汽蒸研究开展已久，但在学术上以及企业实际操作方面，对汽蒸前桉木初含水率这一影响因素考虑较少，同时也缺乏不同含水率和处理温度条件下汽蒸预处理效果的综合比较。因此，本研究以巨尾桉含水率和汽蒸温度为变量，探究其对可见缺陷、微观结构、抽提物含量等方面的影响和机理，并找到适合巨尾桉汽蒸预处理的最佳工艺参数。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

巨尾桉产自于广西钦州市东门林场，巨尾桉板材由桂林裕祥家具用品有限公司加工提供。长 × 宽 × 高为1 000 mm × 100 mm × 20 mm，弦切板，初含水率约为130%，基本密度为0.77 g/cm3。选取其中无节子、虫眼、裂纹、变色等明显缺陷的板材，横截制成尺寸为200 mm × 100 mm × 20 mm的试件。

电热鼓风干燥箱 (DF204)，电热蒸汽发生器 (DZFZ9-3)，探针式温度采集系统 (包括温度传感器、热电偶、温度巡检仪和在线温度釆集系统)，高速多功能摇摆粉碎机 (XTP-10000A)，电动振筛机 (8411)，恒温水浴锅 (XMTD-4000)，扫描电子显微镜 (日立S-3400N Ⅱ)，电子天平 (精度为0.001 g)，游标卡尺等。

1.2 实验方案

1.2.1气干处理

从巨尾桉板材上锯得含水率实验片 (A、B、C) 和试件 (1、2、3、4)，并立即称质量，得含水率实验片初始质量为M1，实验片在 (103 ± 2)℃的鼓风干燥箱中烘至绝干，称质量得M2。含水率实验片和试件锯切方式见图1。

图1含水率实验片和试件锯切方式示意图
Fig.1 Schematic plot of the sawing way and moisture content of test specimens

试件的理论绝干质量为

(1)

式中：M初为试件的初始质量。

设气干后的目标含水率为X(本研究中为60%、50%、30%、20%)，则理论上达到目标含水率时试件的气干质量MX为：

MX=(1+X)×M绝

(2)

气干前，先在试件两端涂环氧树脂，并以锡箔纸封边。试件在自然条件下气干，合理堆放。气干时段 (北京、12月份上旬) 内无特殊天气，温度3～18 ℃，湿度10%～58%，平衡含水率10.4%。每间隔一段时间称质量，达到要求气干质量 (MX) 时，使用保鲜膜密封冷藏待用，并记录气干所需时间。

1.2.2汽蒸处理

含水率为130%、60%、50%、30%、20%的试材分别在80、100、120 ℃的温度下进行汽蒸处理，3个温度下的蒸汽介质分别为不饱和蒸汽、饱和蒸汽、过热蒸汽。在每个实验组中任意选取3块试件在其板材表面、厚度中心和1/4厚处钻孔，将温度探针插入钻孔中 (周围涂硅密封剂)，并与其他试件一起放入汽蒸箱中。通过温度控制面板调节汽蒸箱内温度，进行阶段式升温，在50 ℃保温时不考虑湿度因素，当试件温度达到汽蒸温度时开始计时，持续汽蒸2 h。汽蒸工艺如下：

1) 80 ℃汽蒸：调至50 ℃，保温20 min；调至80 ℃，通入蒸汽，试件温度达80 ℃，持续汽蒸2 h。

2) 100 ℃汽蒸：调至50 ℃，保温20 min；调至80 ℃，通入蒸汽；调至100 ℃，试件温度达100 ℃，持续汽蒸2 h。

3) 120 ℃汽蒸：调至50 ℃，保温20 min；调至80 ℃，通入蒸汽；调至100 ℃，继续气蒸试件至100 ℃；调至120 ℃，试件温度达120 ℃，持续汽蒸2 h。

1.2.3干燥实验

试件经汽蒸后，选择汽蒸效果较好的实验组和未汽蒸试件进行干燥实验，干燥基准采用百度实验法制定，并结合甘雪菲等[13]，Severo等[14]，Campbell[15]提出的桉木干燥基准加以调整、完善，干燥基准见表1。

表1 巨尾桉干燥基准Table 1 The drying schedule of E.grandis × E.urophylla

1.3 性能测试

将选定参数组的试件制备成40～60目的木粉。参照GB/T 2677.4—1993，GB/T 2677.5—1993，GB/T 2677.6—1994，分别用热水、1% NaOH溶液和苯醇溶液抽提绝干木粉，每种抽提重复3次。试件切片 (5 mm × 5 mm × 1 mm) 电镀后放置于扫描电镜室内进行微观样貌分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理的可见缺陷

2.1.1气干产生缺陷

气干至30%、20%时试件产生的可见缺陷情况见表2。

表2 气干产生缺陷Table 2 Visible defects of samples when MC was decreased

在试件气干初期，偶有发生表面开裂和轻微横弯，但无其他明显可见缺陷。在巨尾桉试件气干至较低含水率时，部分试件出现表裂、横弯、皱缩等缺陷。在气干至30%时，33.33%的试件发生了横弯，个别试件出现表面开裂。当气干至20%时，66%的试件发生了横弯，36.67%的试件发生了纵裂，甚至部分试件发生了贯通裂，个别试件存在皱缩现象。表面开裂主要是由于生长应力的释放以及表面水分蒸发过快，远大于内部水分移动速度，木材表面产生拉应力引起的。而自然气干后期，锯材上下两个表面的弦径向干缩差异较大，易产生横弯[16]。随着含水率的降低，产生的横弯进一步加剧，靠近髓心一侧的表面受到的拉应力大于其横纹抗拉强度，试件发生开裂。此外，气干后期，在生长应力作用下，也易引起表面开裂[17]。故巨尾桉预汽蒸时含水率应在30%以上，也说明自然气干不适合巨尾桉干燥和干燥前预处理的重要性。

2.1.2汽蒸产生缺陷

汽蒸产生缺陷见表3。

由表3可知，在选定参数范围内，汽蒸温度越高，汽蒸过程中越易产生缺陷。含水率为130%～30%时，试件含水率越低，汽蒸过程中越不易产生可见缺陷。试件含水率为50%，80 ℃汽蒸后未产生任何明显的可见缺陷，汽蒸质量良好；温度为100 ℃时，仅出现一例横弯，无其他明显可见缺陷，汽蒸效果优于其他条件处理的实验组。但在120 ℃汽蒸时，70%试件发生横弯，20%试材发生开裂。

湿材未经气干直接进行汽蒸后，产生的可见缺陷较多。究其原因是试件初含水率高，在升温和汽蒸过程时，受到高温作用，水分蒸发过快，试件表面形成严重的 “外拉内压” 应力状况，导致开裂。上下两个表面易产生径弦向差异干缩，引起弯曲。此时也存在轻微的皱缩，但不明显，可能是横弯缺陷严重，外观上对其产生了影响，但在其他含水率条件下，无皱缩现象发生，说明汽蒸可以有效避免皱缩的产生，与Chafe的研究结果一致[18]。当试件含水率为60%时，汽蒸效果较湿材好，但横弯缺陷仍较严重，温度在100 ℃及以上时，开裂明显。

表3 汽蒸产生缺陷Table 3 Visible defects of samples after steaming

试件含水率为20%、30%时，汽蒸后试件的横弯缺陷未见有明显恢复，气干裂纹进一步加深、加宽，有极少数微细裂纹发生愈合。含水率20%时裂纹加剧程度较含水率为30%时大，原因是试件在汽蒸过程中，仍存在水分蒸发，差异干缩继续加大。此外，汽蒸使气干时产生的皱缩略有恢复，可能是因为汽蒸破坏了细胞的气密性[19]。

综上所述，巨尾桉汽蒸前应先进行气干，至含水率为50%时，再进行80 ℃或100 ℃的汽蒸，处理效果较好，既可避免因初含水率太高而产生严重横弯、开裂等缺陷，也可以缩短气干时间，防止在气干后期中产生较多的缺陷，有利于提高干燥质量。

2.1.3湿材干燥缺陷

对未汽蒸试件 (湿材) 仅进行气干至50%的试件和气干至50%后分别经80、100 ℃汽蒸的试件进行干燥，其缺陷发生情况见表4。

表4 湿材干燥产生缺陷Table 4 Visible defects of samples after drying

由表4可知，干燥质量表现出以下趋势：含水率50%，100 ℃汽蒸试件 > 含水率50%，80 ℃汽蒸试件 > 含水率50%，100 ℃汽蒸试件 > 未汽蒸试件。汽蒸试件干燥后其质量等级为2级，仅进行气干的试件为3级，湿材干燥后50%的试件不符合等级要求。造成干燥质量差异的主要原因是经气干以及汽蒸后，试件含水率降低，在干燥过程中，水分蒸发速度相对于湿材有所减缓，干燥应力和差异干缩的产生也相对缓和，使得干燥缺陷减少。汽蒸试件纹孔膜破裂，水分移动畅通，细胞气密性被破坏，在干燥过程中有效地避免了皱缩。此外未汽蒸湿材经干燥后会产生内裂现象，可能是因为在干燥后期试件表面硬化，内部所受拉应力大于横弯抗拉强度引起的。

2.2 汽蒸前后含水率变化

不同初含水率气蒸前后含水率变化情况见图2。

由图2可知，汽蒸温度越高，巨尾桉的含水率减少越明显；在相同温度下，试件含水率越高，汽蒸后含水率减少越明显。缺陷发生最少的2组 (含水率为50%，汽蒸温度为80、100 ℃) 比较，100 ℃汽蒸时其水分蒸发量是80 ℃时的1.73倍。此时水分的排除有利于后续干燥，缩短干燥周期[14]。除含水率为30%时的参数组外，由100 ℃升到120 ℃时汽蒸温度的升高对含水率减小的影响较由80 ℃增加至100 ℃时明显，水分蒸发量可增加1倍多[18]。

图2不同初含水率气蒸前后含水率变化
Fig.2 Changes of MC of samples after steaming

2.3 微观构造分析

通过扫描电镜观察可见缺陷较少的两组试件，并与未经汽蒸的试件进行比较，微观结构见图3。

图3汽蒸前后巨尾桉试件微观构造
Fig.3 Scanning electron microscope of samples before and after steaming

由图3可知：未处理材纹孔膜完好，未见破裂情况，且在观察中明显可见导管内存在较多有光泽的片状侵填体。含水率50%的巨尾桉试材经80 ℃汽蒸后，小部分纹孔膜破裂，有筛状空隙出现；而经100 ℃汽蒸后，纹孔膜破裂明显，甚至整个脱落，导管内壁光滑、通亮，孔道畅通，未见有明显抽提物存在，并且效果比80 ℃汽蒸时要好。说明汽蒸处理可在木材内部产生压力差使纹孔膜破裂，尤其是薄壁细胞上的纹孔膜，与Matsumura等[20]的研究结果一致；也说明了在湿热作用下，汽蒸预处理可使部分抽提物挥发或移动，使水分蒸发路径畅通。已有研究表明，经汽蒸处理可以使纹孔内的结壳物质脱落，并使纹孔的半径增加[21]。因此，经汽蒸处理可以提高巨尾桉的渗透性，破坏内部气密性，从而减少皱缩等缺陷产生。

2.4 抽提物的含量变化

分别用热水，1% NaOH溶液和苯醇溶液抽提绝干木粉，木粉分别取自未处理、气干至含水率50%未经汽蒸和汽蒸的试件，抽提物含量见表5。

表5 汽蒸前后抽提物含量变化Table 5 Changes of extractives before and after steaming

由表5可知，气干至含水率为50%的试件以及经汽蒸后的试件抽提物含量均有不同程度的减少，可能的原因是在气干过程中部分抽提物挥发，如分子量较小的萜烯类；汽蒸时在湿热作用下，填充在细胞腔或沉积在细胞壁的抽提物部分溶解，使抽提物含量进一步减小，彭万喜等[22]也提出了相似的结论。1% NaOH抽提物本身基数就较大，因此通过气干、汽蒸处理，均可减小巨尾桉抽提物含量。苯醇抽提物主要由烷烃、环烷烃、苯系物、高级脂肪醇、酯和醚构成，此类化合物较易发生热分解[23]，导致在汽蒸时抽提物含量减少。但由于苯醇抽提物本身基数较小，其相差量并不大。结合扫描电镜分析，汽蒸利于巨尾桉内部抽提物的排出，使木材水分移动路径畅通，从而提高试件水分扩散系数和渗透性，干燥质量和干燥速度得以提升。

3 结 论

1) 湿材直接汽蒸开裂、变形严重；汽蒸温度越高，越易产生缺陷。巨尾桉初含水率为50%时，80 ℃和100 ℃汽蒸时差异不大，除后者偶见一例开裂外，无其他可见缺陷。汽蒸对气干至含水率为30%、20%时产生的缺陷无明显恢复作用。

2) 汽蒸过程中，巨尾桉含水率减小，试件初含水率越高，汽蒸温度越大，水分变化越明显。

3) 从微观结构上看，试件初含水率为50%时，100 ℃汽蒸较80 ℃对巨尾桉影响更大，大部分纹孔膜破裂甚至脱落，导管内壁光滑，侵填体减少，使水分通道畅通。

4) 汽蒸后，热水、1% NaOH和苯醇抽提物含量均减小，并且1% NaOH抽提物本身基数较大，抽提物总量减少，有利于巨尾桉渗透性的提高。

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