沃拉巴木材干燥特性及干燥工艺

2020-06-15杨雪迪涂登云陈川富孙佳琦曾昭明

林业机械与木工设备 2020年6期

杨雪迪，涂登云，陈川富，孙佳琦，曾昭明，颜亮

(华南农业大学材料与能源学院，广东广州 510642)

镰形木荚苏木，拉丁名Eperuafalcata，木荚苏木属，产于苏里南，商品材名称为沃拉巴，英文名Wallaba，俗称金花柚木、油花梨。该木材心材区别明显，由褐色至红褐色，径面具深浅相间条纹，与边材区别明显，边材灰色至粉红色，生长轮明显。木材光泽强，纹理通直，结构略粗，略均匀。沃拉巴是一种坚硬、沉重的木材，气干木材的密度为928 kg/m3。木材富含树胶，干燥很慢，有明显的开裂和翘曲倾向，木材干燥后稳定性中等，内含物在加工和使用过程中会溢出，因为富含树胶，木材很耐腐，抗蚁和抗干木害虫能力强，抗海生钻木动物性能中等，常用于重型建筑、木瓦、户外地板、海港及码头用材(淡水)等[1]。

由于沃拉巴木材树胶含量高，木材干燥困难，目前在户外应用时常出现开裂、变形等质量问题，从而限制了该木材的应用。究其原因是沃拉巴木材没经过干燥或干燥质量不达标所致，正确选择木材干燥基准，不但能够提高其干燥速率和使用率，还可以提高沃拉巴木材制品的使用质量。为获得木材干燥工艺，百度试验法是比较常用方法[2]，我国学者采用该方法研究了黑胡桃木[3]、邓恩桉木[4]、鸡翅木[5]、橄榄木[6]、大花序桉[7]、人面子木[8]、银腺杨[9]、非洲花梨木[10]、马占相思木[11]等木材的干燥特性。Rubin Shmulsky等通过改变干燥期间各个阶段的实验条件，得出温度和湿度都达到最优的干燥条件[12]。在硬重木材干燥研究方面，我国在木材干燥特性、干燥工艺和干燥后养生工艺等方面开展了较为广泛和系统的研究[13-15]。

目前，关于沃拉巴木材干燥特性和干燥工艺方面的研究未曾有人尝试，因此有必要进行沃拉巴木材的干燥特性和干燥工艺研究，以更好地利用沃拉巴木材。本文从研究沃拉巴木材干燥特性入手，通过制定干燥基准和工艺进行实验研究，得到了沃拉巴木材的干燥工艺，从而为沃拉巴木材的干燥生产及其后期利用提供理论依据和指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

沃拉巴试材产自苏里南，试材规格为1 000 mm(长)×350 mm(宽)×50 mm(厚)，共40块，初含水率43%。所有试材两端涂覆玻璃胶，用保鲜膜包好，待用。

从试材中挑选5块无缺陷的弦切板作为干燥特性试材，将其加工为200 mm(顺纹)×100 mm(弦向)×20 mm(径向)，共10块，加工好后用保鲜膜包好，待用。

1.2 试验设备

本试验使用的仪器设备主要有：101A-3型电热鼓风干燥箱(上海实验仪器有限公司生产，温度范围50～300 ℃)；BPS-100 CL恒温恒湿箱；干燥试验箱(自制，容积1 m3，电加热)；电子秤(精度0.5 g)；电子天平(精度0.01 g)；0.02～1 mm塞尺；游标卡尺(精度0.02 mm)；精密推台锯(型号GTS10J)等。

1.3 试验方法

1.3.1 百度试验

采用百度试验法进行沃拉巴木材干燥特性测定及干燥特性等级评定。沃拉巴木材干燥特性见表1，其初期开裂4级、内裂4级、截面变形3级及干燥速度4级。由此可见，沃拉巴木材干燥时的主要缺陷为表裂和内裂，干燥速度慢。

1.3.2 干燥基准

参照沃拉巴木材干燥特性等级以及变形和开裂等级对照表，考虑到沃拉巴木材厚度较大，干燥前期容易产生表裂，所以前期温度不宜过高。通过预热处理，可在一定程度上提高其稳定性。由于沃拉巴木材干燥后期容易内裂，干燥过程中需要进行调湿处理，消除表面硬化，后期干燥温度不宜过高，得出50 mm厚沃拉巴锯材干燥基准见表2。

由表2可知，按照含水率大小将干燥过程分成7个阶段，当干球温度由40 ℃逐步升温至70 ℃、含水率大于25%时，干球温度升温速率较为缓慢，升温幅度较小，干湿球温度差较小，可有效地预防初期开裂；而当含水率低于25%时，可进行中间处理，相应提高升温幅度和干湿球温度差。

表1 沃拉巴木材干燥特性等级

缺陷情况初期开裂内部开裂截面变形干燥速度测试值长表裂3条,端细表裂26条,短端表裂18条细裂15条1.0 mm25 h等级4434

表2 50 mm厚沃拉巴锯材干燥基准

阶段含水率/%干球温度/℃干湿球温度差/℃相对湿度/%处理时间/h1预热处理400100102>4040288340～35464794中间处理4619410535～3048477630～25508627中间处理5019410825～20561250920～156015431015～1070203511终了调湿处理7037910

1.3.3 干燥工艺试验

依据LY/T 1068-2012《锯材窑干工艺规程》[16]要求，挑选2块无节子、无开裂的弦切板用作含水率检验板，并分别标号为A板、B板。在各含水率检验板两端截取10 mm的试件，检测其初含水率，并依据式(1)计算各含水率检验板的绝干质量。干燥过程中，每隔24 h从干燥箱中取出含水率检验板，测其质量，并根据式(2)计算干燥过程中各试样的含水率。

(1)

(2)

式中：m绝干为试件绝干质量(g)；m初为试件初始质量(g)；M初为试件初含水率(%)；Mi为试件含水率(%)；mi为试件质量(g)。

试验过程中，根据木材含水率变化，调整干燥工艺参数，干燥工艺试验过程如下：

(1)预热处理：预热处理的目的是减小木材厚度上的温度梯度，有利于木材中水分的排出。预热温度为45 ℃、干湿球温度差0 ℃、处理时间10 h(按2.0 h/cm计)。

(2)干燥及中间处理选择40 ℃的初始干球温度、2 ℃的干湿球温度差。为避免出现开裂、扭曲等干燥质量，以1 ℃/h的速度进行干、湿球温度的升降。当含水率干燥至35%、25%时分别进行中间处理，第一次中间处理的干球温度为46 ℃、干湿球温度差1 ℃，第二次中间处理的干球温度为50 ℃、干湿球温度差1 ℃，每次中间处理时间为10 h(按2.0 h/cm计)。

(3)终了调湿处理：终了调湿处理的目的是消除木材表面的塑化固定，减少其残余应力。终了调湿处理的干球温度70 ℃、干湿球温差3 ℃、处理时间10 h(按2.0 h/cm计)。

1.3.4 干燥质量检测

参照GB/T 6491-2012《锯材干燥质量标准》[17]，测量计算干燥后所有锯材顺弯度、侧弯度、瓦弯度、扭曲度、内裂数、纵裂度、终含水率、厚度含水率偏差和残余应力，核定锯材残余应力和可见缺陷干燥质量等级。

2 试验结果与分析

2.1 干燥曲线

通过测量干燥过程中各时间点试件的含水率，绘制干燥速率曲线如图1所示。图中，阶段1为预热阶段，2、3、5、6、8、9、10为干燥阶段，4、7阶段为中间处理阶段，11为终了调湿处理阶段。由图1可知，各个干燥阶段干燥曲线的斜率较为接近，说明本文在不同含水率阶段给出的干燥工艺参数较为合适。在第一次中间处理前后，含水率分别为35.16%和35.15%。第二次中间处理前后，木材含水率分别为25.23%和25.24%，中间处理前后木材水分不再降低或略有提高，说明两次中间处理给出的干燥工艺参数较为合适。

图1 50 mm厚沃拉巴锯材干燥曲线

2.2 干燥速度

干燥速度是反映木材内部水分向外部移动快慢的重要指标，也是反映木材干燥难易程度的一个重要指标，其与木材的构造密切相关。50 mm厚沃拉巴锯材初含水率均值为43%，干燥终了含水率均值为10.25%，整个干燥过程用时41天，全程干燥的速度是0.031 %/h。沃拉巴锯材各含水率阶段干燥速度的变化如图2所示。由图2可知，干燥第3阶段干燥速度最快为0.056 %/h，大于干燥第2阶段(含水率大于40%)的干燥速度。这是因为，虽然干燥第2阶段木材含水率比第3阶段高，但沃拉巴木材干燥初期容易产生表裂和端裂，为了防止木材干燥产生端裂和表裂，工艺上采用较低的温度和较小的干湿球温度差，即干球温度40 ℃，干湿球温差2 ℃。含水率低于40%后，干球温度提高，干湿球温度差变大，木材干燥速度提高。干燥的第4阶段后，干燥速度又降低，是因为随木材内含水率的降低，木材外层水分开始低于FSP(木材纤维饱和点含水率)，木材内部自由水数量减少，干燥速度开始降低。因此，在工艺上，为了保持木材较快的干燥速度，需要一定程度上提高干燥介质温度、降低相对湿度。

图2 50 mm厚沃拉巴锯材干燥速度

2.3 干燥质量

对35块被干试件的干燥质量进行统计，结果见表3、表4。

由表3、表4可知，试件平均终含水率为10.54%、含水率均匀度为±4.12%、厚度上含水率偏差为4.02%，均达到《锯材干燥质量标准》(GB/T 6491-2012)二级要求[17]。残余应力值为2.45%，可见缺陷顺弯度为0.2%、横弯度为0.34%、侧弯度为0.1%、扭曲度为0.2%、纵裂为1.5%，无内裂和皱缩产生，达到《锯材干燥质量标准》(GB/T 6491-2012)一级要求。

表3 50 mm厚沃拉巴锯材不可见缺陷干燥质量