桉木冷冻干燥和常规干燥对比研究

2020-12-01

林业机械与木工设备 2020年11期

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏南京 210037)

人类经济的高速发展及生活水平的快速提高导致世界范围内木材资源日益紧缺，开发人工林是解决木材供需矛盾的有效方法[1]。桉树是世界三大速生林之一，具有生长快、产量高、经济效益好等特点，极具开发优势[2-3]。桉木密度适中、纹理美观，具备制造实木家具及装饰材料的条件。产品开发时，木材的材性与木制品的设计、加工及结构等密切相关[4-6]。因此，桉木利用应建立在良好材性控制的基础之上，利用合理的干燥技术[7-10]来实现木材的材性稳定。

桉木在常规干燥过程中由于温度过高常导致发生严重的皱缩，皱缩是由自由水迁移产生的毛细管张力大于木材细胞壁的横纹抗拉强度所致[11-12]。因此，可以采取降低温度的方法来干燥，高周波真空干燥[14-15]能在低温条件下实现快速干燥木材。另外，超临界二氧化碳萃取也能在较低的温度下通过超临界状态的二氧化碳将桉木中的水分带走，防止桉木皱缩[16]。而冷冻干燥[17]是将材料中的水先冻结成冰，然后在低温低压的条件下使材料中的冰直接升华成水，不经历液相，因此干燥过程不产生毛细管张力，能够从根本上解决桉木干燥皱缩问题。

本研究以尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)为试材，对其进行冷冻和常规干燥，对比两种干燥方法的干燥速度、含水率梯度、应力及干缩变形和皱缩，为易皱缩木材的高品质干燥提供技术参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

速生人工林尾巨桉，初含水率在110%～130%之间，气干密度为0.565 g/cm3。原木砍伐后运至南京林业大学，然后加工成1 000 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)规格方材。将方材编号，塑料薄膜密封包裹后放入冰柜保存。干燥试验前将2根尾巨桉方材分别加工成首尾连接的100 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)试件8块，分别用于冷冻干燥和常规干燥。

1.2 试验设备

鼓风干燥箱(DHG-905386-Ⅲ，上海新苗医疗器械制造有限公司)；冷冻干燥机(LGJ-10C，北京四环科学仪器厂有限公司)；佳能扫描仪(CanoScan LiDE 700F)；电子天平(FA2004，0.001 g，上海精密仪器有限公司)；数显游标卡尺(日本三丰，0.01 mm)。

1.3 试验方法

1.3.1 冷冻干燥和常规干燥工艺

(1)冷冻干燥：首先将全部试件放入冷冻干燥机的冷肼中预冻，条件为-60 ℃、12 h。预冻结束后将试件放入冷冻干燥机冻干架的托盘上进行冷冻干燥，压力为30 Pa。

(2)常规干燥：参考以往文献，本次常规干燥条件为温度60 ℃，湿度66%。

1.3.2 干燥过程含水率及干燥应力测定

(1)初含水率：干燥试件锯截时，在每块试件的两端锯取2片5 mm试片，参照GB/T 1931-2009，用烘干法测量材料的初含水率。

(2)干燥过程含水率分布及干燥应力：冷冻及常规干燥过程，定时取出试件测量其重量并估算其含水率，当含水率到达预定锯切点时将试件从干燥设备内取出，在试件中间位置锯截2片3 mm木片，标号为1和2。1号木片用于分层含水率和干燥应力测量，将木片顺纹劈成等厚5层，用烘干法测量每层的含水率。同时测量每层木条变形前长度L及变形后挠度f，按公式(1)计算干燥应力指标。2号木片用于干缩测量，各层的含水率平均值为干燥过程试件的当时含水率。分层含水率测量如图1所示。

图1 分层含水率测量

(1)

式中：Y为试件应力指标(%)；f为试件变形挠度(mm)；L为试件长度(mm)。

1.3.3 干缩变形测量

利用上述锯截木片2测量干燥过程木材干缩变形。本研究测量横断面的干缩，横截面扫描成图像文件后，利用Image J[18]处理软件测出其面积后立即用天平测量质量。然后将其烘至绝干，再次测量面积和质量。试件干燥过程不同含水率点时面积干缩率按公式(2)计算。

(2)

式中：S为面积干缩率(%)；Ai为试件初始面积(mm2)；Aw为含水率w时的面积(mm2)。

2 试验结果与分析

2.1 干燥速度对比

图2是尾巨桉冷冻与常规干燥过程含水率-时间变化曲线，表1统计了两种干燥方式下初含水率、干燥时间及干燥速度。由图2可知，尽管冷冻和常规干燥试件的初含水率不同，但其在FSP上下的干燥速度差别很大。FSP以上干燥速度快，FSP以下冷冻和常规干燥的速度都变的缓慢。由表1数据可知，无论哪种干燥方式，在FSP上下，干燥速度不在一个数量级。对于冷冻和常规干燥，FSP以上的速度是FSP以下的4.8和6.5倍。此外，由表1可知，干燥全程冷冻干燥速度都大于常规干燥，是其1.3倍。FSP上下，其干燥速度为常规的1.07和1.45倍。由此可知，FSP以上冷冻和常规干燥速度差别不大；FSP以下，冷冻干燥速度明显大于常规干燥。FSP以下木材中的水分为吸着水，其在常规干燥过程脱除困难，而冷冻干燥过程由于木材内外压力差较大，进而加快了吸着水的脱除。

图2 冷冻及常规干燥速度对比

表1 冷冻干燥与常规干燥速度对比

2.2 含水率梯度对比

图3是冷冻干燥和常规干燥过程不同含水率阶段木材心层和表层含水率梯度的对比。表层含水率为图1(a)中左右两个表层木条的平均含水率。由图3可以看出，干燥全程冷冻干燥的含水率梯度大于常规干燥，且两种干燥方法的含水率梯度变化趋势类似，呈现先增加后减小的趋势。其中，常规干燥在含水率下降至53%左右时，其心表层含水率梯度达到最大值，约23%，而冷冻干燥在含水率下降至38%附近时达到最大值，约为47%，这表明冷冻干燥过程心表层含水率梯度持续时间更长。含水率梯度是促使水分迁移的驱动力，冷冻干燥过程其含水率梯度平均为常规干燥的1.9倍，因此其水分迁移速度快。

图3 冷冻干燥与常规干燥含水率梯度对比

2.3 干燥应力对比

图4是冷冻干燥和常规干燥过程干燥应力与含水率变化曲线。因为本次干燥试件弦向尺寸只有30 mm，远小于国标尺寸，所以应力指标值偏小，但可以用来对比不同干燥方法下木材应力变化的大小和趋势。由图4可知，冷冻干燥和常规干燥应力的变化趋势相似，随含水率降低呈波动变化，但冷冻干燥的应力在各含水率阶段都小于常规干燥。冷冻干燥过程水分主要以升华的方式脱除，不同于常规干燥毛细张力下的自由水迁移及浓度梯度下吸着水的扩散，因此其导致木材产生的干燥应力要小。

2.4 木材干缩对比

图5是冷冻干燥与常规干燥过程不同含水率阶段横截面的干缩对比。木材是生物材料，其变形受温度影响很小，即木材的热胀冷缩很小。但是水分的变化会引起木材尺寸的变化，尤其含水率低于FSP时，木材产生干缩湿胀，进而导致木材出现变形和开裂等问题。FSP以上，木材中水分的减小通常不会引起收缩，但是某些特殊木材(易皱缩木材)在FSP以上随水分的减少会产生收缩变形，尾巨桉就是这种容易皱缩的木材。由图5可知，尾巨桉木材在FSP以上时，无论冷冻干燥还是常规干燥都产生了变形，而这部分变形是由细胞的皱缩而产生，即细胞本身产生了内溃变形。但是冷冻干燥变形小于常规干燥，这主要是因为冷冻干燥过程木材内部的水被冻结成冰，干燥时冰直接升华为水蒸气，不产生毛细管张力，进而有效地抑制了木材的皱缩。同时，由图5可知，冷冻干燥的全干干缩率是常规干燥的84%，其主要原因也是高含水率阶段木材产生的皱缩较小，没有累积到最后的干缩当中。