尾巨桉自由干缩率及纤维饱和点的测定1)

杨琳 付奇缘 刘洪海 吴智慧

(南京林业大学，南京，210037)

桉树是我国主要的速生人工林树种，干燥过程中产生的皱缩问题严重阻碍了桉木资源高附加值实木化利用的进程[1-2]。干燥过程中木材的正常收缩通常发生在纤维饱和点以下，自由水的脱除导致微纤丝相互靠拢，宏观表现为木材开始收缩。而木材皱缩不同于正常收缩，在含水率高于纤维饱和点时细胞形态便发生了改变，皱缩会导致整个材料的收缩率变大[3]。在桉木的皱缩调控研究中，测量其自由干缩率和纤维饱和点是研究其皱缩曲线以及计算皱缩量的关键参数[4-5]。

自由干缩量是干缩系数与纤维饱和点以下含水率变化的乘积。自由干缩测量时一定要保证木材在无应力情况下进行干燥，采用薄木片在低温下干燥才能有效减少含水率梯度的影响。国内外学者对自由干缩进行了一系列的测量[6-8]，但没有探讨试件厚度对自由干缩的影响。纤维饱和点是木材细胞壁内结合水处于润涨饱和，而木材细胞腔和细胞间隙等大毛细管系统内不含自由水时的含水率[9]。纤维饱和点是木材物理力学性质产生变化的转折点[10]，在木材干燥过程中对木材内部各类水分迁移模型的研究与构建也具有重要意义[11]。

纤维饱和点可通过吸湿等温线外推法[12]、物理特性变化法[13]、介电特性法[14]、核磁共振法[11,15]、溶剂排除法[16]、多孔板法[17]、离心脱水法[18]、溶液热力学法[10]等进行测量。其中等温线外推法和物理特性变化法测得的数值范围一般在23%～35%，而核磁共振法、溶剂排除法、多孔板法、离心脱水法等测得数值一般在40%以上。由于不同测试方法结果相差较大，且每种方法有各自不同的操作要求及限制[19]，因此在上述测定方法中，对于木材干燥等加工生产最为实用的方法是物理特性变化法[10]，其中干缩法测量木材纤维饱和点最为简便[20]。笔者以尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)为试材，在常温条件下利用饱和盐溶液控制不同的湿度环境，测量了不同厚度试件的干缩率与含水率的关系，研究其自由干缩特性及湿度、试件尺寸对自由干缩特性和纤维饱和点的影响，为桉树干燥及皱缩调控提供技术依据。

1 材料及方法

尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)，产自广西柳州黄冕林场，树龄6 a，胸径260 mm，初含水率约为110%，基本密度约为0.47 g/cm3。将1根原木锯制并刨光成4根长度为30 mm(弦向)×30 mm(径向)×1 000 mm(纤维方向)左右的木条，用塑料薄膜密封包裹后放入冰柜冷藏保存待用。

上海新苗(DHG-9643BS-III)电热鼓风式干燥箱；南京德孚(DF-408)恒温恒湿箱；电子天平(JA5003N)，精度为0.001 g；游标卡尺，量程0～200 mm，精度0.01 mm；干燥器。

根据实验要求，把1 000 mm长木条分别锯制成厚度(延纤维方向)为1、2、3 mm的试件各30片，在试片中心位置沿弦、径向垂直划线。将1、2、3 mm厚的试件各5片，共6组，分别放入6个不同相对湿度的干燥器中，干燥器置于25 ℃恒温恒湿箱内。干燥器内的相对湿度由饱和盐溶液来控制，湿度控制条件见表1。实验过程中间隔一定时间将试件取出，测量其弦、径向尺寸及试件质量，精确至0.01 mm和0.001 g，直至各个试件质量稳定后把所有试件烘至绝干，再次测量其绝干尺寸和质量，数据分析时取5个试件弦、径向尺寸及质量的平均值。最后按公式(1)计算试件随含水率变化的面积干缩率，由干缩率来推算出木材的全干缩率和纤维饱和点[14,21]。

β=(So-Si)/So×100%。

(1)

式中：β为面积干缩率(%)；So为试件的初始面积(To×Ro)(mm2)；Si为试件干燥至不同含水率i时的面积(Ti×Ri)(mm2)。

表1 饱和盐溶液及其对应的相对湿度

2 结果与分析

2.1 尾巨桉木材的含水率变化曲线

图1是3种规格薄木片在不同相对湿度干燥器中的含水率变化曲线，这里选取3个代表条件进行含水率变化说明，其中两个极端湿度条件(98%、11%)，一个中等湿度条件(59%)。可知，试件越薄含水率达到平衡的时间越短；相对湿度越低，薄木片的干燥速度越快。综合比较其他3个湿度条件的曲线，可以看出同样的规律，因此可以判断6种湿度条件下的3种规格试件在7 d以后各自基本上达到了与所处湿度环境对应的平衡含水率，因此，可以利用后期数据准确地进行自由干缩率和纤维饱和点的推算。

图1 不同厚度试件含水率-时间曲线

2.2 尾巨桉木材的干缩特性

图2是3种规格薄木片在不同湿度条件下干燥过程中面积干缩率与含水率变化曲线。其中曲线变化特征类似的是高湿度条件(98%、75%)以及低湿度条件(22%、11%)。因此，选取98%、59%、33%、11%这4个条件的曲线进行试件厚度及相对湿度对干缩特性的影响进行分析。可知不同厚度的试件在相同湿度条件下的收缩曲线特征类似，试件在高含水率范围内均出现了不同程度的收缩或回复，包括1 mm厚试件。但不同厚度试件在不同湿度条件下收缩也不尽相同，在高湿度及低湿度条件下，不同厚度的试件表现为先收缩，然后随着含水率的降低，高、低湿度条件下试件出现不同程度的回复，而高湿度条件下试件的收缩与回复幅度均较大。在中等湿度(59%)的条件下，试件出现了快速收缩，之后保持不变或缓慢收缩，直至达到该湿度条件下的收缩率。而在33%的湿度条件下，试件从开始便产生了微小的缓慢收缩，整个过程没有回复，直至收缩达到稳定。33%相对湿度条件可能比较适合尾巨桉木材的自然干燥速率，其内部水分迁移同速于表面水分的蒸发，因此只出现了微小且缓慢的皱缩。湿度从33%开始，纤维饱和点以下1mm厚试件的最终收缩程度最小。3种规格试件的干缩曲线与涂登云[21]、占剑锋[8]的研究结果不同。文献[21]中试件厚度为4 mm，文献[8]中试件厚度为8 mm，试件在常温干燥过程中，高含水率范围没有出现收缩，尺寸变化发生在纤维饱和点以下。原因是试材为非皱缩树种，试验结果与木材经典理论一致，即在纤维饱和点以上，细胞腔内自由水的脱除没有导致细胞壁尺寸变化；而在纤维饱和点以下，结合水的脱除致使细胞壁内微纤丝相互靠拢，木材开始收缩。而本实验厚度均小于4 mm，但即使在常温下进行干燥，1 mm厚试件也能满足皱缩产生的条件，即毛细管张力导致密闭细胞形状发生了尺寸变化[22]，纤维饱和点以上便产生了皱缩。在靠树皮侧弦向试件皱缩相对明显(尤其是3 mm厚试件)，并且皱缩多发生在早晚材过渡区域。但是，不同湿度条件下试件的皱缩都产生了不同程度的回复，由于试件厚度较小，达到平衡后产生的皱缩量很小。

图2 不同厚度试件含水率-干缩率变化曲线(面积)

2.3 尾巨桉木材的自由干缩率及纤维饱和点测定

图3是3种规格薄木片在不同湿度干燥器中达到平衡后的试件面积干缩率与含水率变化曲线。每一点数据是最后两次测量值的平均值。不同湿度条件下木材的面积干缩率与含水率呈线性关系，且3条直线近似平行，1 mm厚试件曲线在最下方，而3 mm厚的试件曲线在最上方。可见，试件厚度对木材的干缩率有一定影响。纤维饱和点以下木材的干缩率与含水率呈线性关系[6，8，14，20-21]，因此可以通过回归方程来计算不同厚度试件的全干缩率以及纤维饱和点。表2是不同厚度试件面积干缩率与含水率关系的回归方程、决定系数以及由方程计算而得出的全干缩率及纤维饱和点。可知3种厚度试件的干缩率与含水率呈现高度的线性关系，厚度对全干缩率有一定影响，但不显著。厚度对纤维饱和点影响较大，3 mm厚试件纤维饱和点与1 mm厚试件相比，增加了约15%。其原因应该是不同厚度试件在干燥过程的收缩并非完全自由干缩，常温干燥过程均产生了不同程度的微小皱缩；其值虽小，但累计到纤维饱和点以下木材的干缩量当中，也影响了最终的全干缩率和纤维饱和点的测量。理论分析表明没有皱缩的试件可以准确地推定木材的纤维饱和点，但在试验中很难锯截小于1 mm的试件，因此通过1 mm厚试件回归方程所确定的全干缩率及纤维饱和点可以近似地用于木材材性分析和计算。

图3 纤维饱和点以下试件含水率-干缩率变化曲线(面积)

试件厚度/mm回归方程R2全干缩率/%纤维饱和点/%1Y=-0.5033X+9.67430.99429.6719.222Y=-0.4764X+9.87690.99389.8820.733Y=-0.4425X+9.75300.99409.7522.04

3 结论

在高含水率范围内，尾巨桉薄试件包括纤维方向厚度为1 mm的试件，同样产生皱缩，1 mm试件满足不了尾巨桉木材的自由干缩实验。

不同厚度试件在相同湿度条件下的干缩特性及曲线形式类似，试件在高含水率范围便出现了不同程度的皱缩与回复。在高湿度及低湿度的条件下，试件均先产生皱缩，然后随着含水率的下降开始回复，但在高湿度环境下回复程度较大。试件在中等湿度条件下皱缩没有产生回复。当湿度≥33%时，1 mm厚试件的残余皱缩量最小。

通过回归方程比较分析可知，试件厚度对全干缩率测量的影响不显著。厚度对纤维饱和点的测量影响显著，3 mm厚试件的纤维饱和点测量值比1 mm厚试件增加了约15%。原因是试件的干缩量并非是完全的自由干缩，干燥过程中产生的皱缩影响了全干缩率和纤维饱和点的测量值。

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