博白大果油茶木材干燥特性及干燥基准研究

2021-07-02黄腾华王军锋陈国臣马锦林

广西林业科学 2021年3期

黄腾华，王军锋，陈国臣，马锦林

（广西壮族自治区林业科学研究院广西木材资源培育质量控制工程技术研究中心，广西南宁 530002）

博白大果油茶（Camellia gigantocarpa）又称赤柏子，为山茶科（Theaceae）山茶属常绿乔木，其天然林主要分布于广西博白、玉林和陆川一带[1-2]。博白大果油茶树形优美，花和果较大，种子含油量高，是非常有价值的油料和观赏植物[3-5]。其木材坚硬且韧性大，不易腐朽，适合用作刀柄、锄头柄、擀面杖和工艺品等，有较高的经济价值[2，6]。野生的博白大果油茶资源极少，被列为国家二级保护植物[2]。目前，对博白大果油茶的研究主要集中在遗传多样性ISSR、基因组DNA提取、茶籽油成分和光合特性等方面[7-9]，在木材的干燥、加工及利用等方面未见报道。干燥是木材加工利用过程中最重要的前期工序之一，为更好地利用博白大果油茶木材，提高木材的综合利用率及附加值，本研究采用百度试验法对博白大果油茶人工林木材的干燥特性进行研究，并初步制定出合理的干燥基准。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试材采自广西壮族自治区林业科学研究院油茶种质资源收集圃油桐山基地（108°21´E，22°55´N），海拔95 m，土壤类型为黄壤，造林时间为2004年[8]。试材采集参照GB/T 1927-2009[10]，采伐生长良好且径级较大的油茶树3株，选取胸径分别为13.5、14.6和15.2 cm的主干木材作为试材。将试材锯解并刨切为20 mm厚的光面板材，并在无变色、开裂、节子和虫眼等缺陷的部位截取规格为200 mm×100 mm×20 mm的试件，选取6块弦切板用于测定和分析干燥特性，试件的初含水率为115%～121%。

1.2 试验方法

采用百度试验法[11]，将电热鼓风干燥箱预先调至（103±2）℃，试件制取后快速测定其初重并测量长、宽、厚尺寸，之后将其竖立间隔放置于干燥箱内干燥。干燥初期，每0.5 h观测1次，两次后每1 h观测1次；当试件的开裂达到最大且裂缝开始愈合时，每2 h观测1次；裂缝停止愈合后，每4 h观测1次；试件前后两次重量差不超过0.5%时，试验结束。每次观测时，记录试件的重量、端裂、端表裂、表裂和贯通裂；干燥结束后，进行试件称重，测量扭曲度、顺弯度、横弯度、瓦弯、截面变形和内裂长宽度尺寸等，并记录数量；从试件中间截取宽度约为15 mm的含水率试片并立即称重，测定其含水率，作为试样最终含水率。

2 结果与分析

2.1 博白大果油茶木材干燥缺陷等级及其标准

根据木材干燥缺陷等级标准（表1）和百度试验法干燥试验测试中得到的数据，对博白大果油茶木材试件各指标进行干燥缺陷等级评定。参照表1的标准，确定博白大果油茶木材的综合干燥缺陷等级为4级（表2）。

表1 干燥缺陷等级及干燥速度分级标准[11]Tab.1 Grading criteria of drying defects and drying speed

表2 博白大果油茶木材缺陷等级Tab.2 Defect grades of C.gigantocarpa wood

2.2 博白大果油茶木材干燥特性

2.2.1 初期开裂

由于试件初含水率高，将试件放置于100℃且相对湿度低的条件下进行干燥试验。木材在干燥初期的主要缺陷为端裂。干燥至3 h、含水率降至61%左右时，初期开裂的裂纹长度、宽度和数量达到最大；干燥至5 h、含水率降至44%左右时，初期开裂的裂纹长度、宽度和数量不再继续增加，并随着时间的增加，快速减少；干燥至8～14 h时，所有开裂几乎全部愈合；端表裂比端裂出现晚，结束早。主要原因为干燥初期，试件含水率为115%～121%，随干燥进行，试件表面的水分蒸发速度快，试件内部的含水率高于表面，内外含水率梯度逐渐增大，表面干燥应力增大[12]；含水率下降至61%时，试件的内外含水率梯度和干燥应力均达到最大值，试件的开裂程度达到最大，初期开裂不再发展，其中1条端裂延伸至木材表面，形成端表裂；随着干燥进行，试件的含水率逐渐降低，裂纹的长度、宽度和数量也逐渐减少；试件含水率下降至30%左右时，吸着水开始蒸发，木材内部开始收缩，此时试件的干燥应力分布表现为内部受拉、外部受压，裂纹开始愈合。博白大果油茶木材的初期开裂主要为端裂，裂纹愈合速度较快，初期开裂等级为1级（表2）。

2.2.2 内裂

木材内裂产生于木材内部，主要沿木射线裂开，常出现于干燥后期，原因是干燥后期木材表面含水率接近绝干状态，表面发生较严重的硬化，试件内部产生拉伸应力，当心层的拉伸应力比横纹拉伸极限强度大时，内裂产生[13]。内裂是严重的干燥缺陷之一，对木材的加工利用有较大影响。博白大果油茶木材内裂情况较轻，综合评定为2级（表2）。

2.2.3 截面变形

截面变形是由于木材细胞溃陷，导致试件表面凹凸不平，在厚度方向上收缩不均匀；渗透性差的木材在含水率分布不均时，其内部的水分不易转移至表面，干燥中易产生截面变形[14]。干燥试验结束后，将试件从长度方向的中间锯开，测量截面最大厚度与最小厚度的差异变形值。博白大果油茶木材的截面变形值为2.11～3.48 mm，均值为2.81 mm，综合评定为4级（表2）。

2.2.4 扭曲变形

由于木材是各向异性材料，干燥过程中各方向和各部位的干缩不均匀，易发生扭曲变形。在百度试验中，试件为弦切板，靠近髓心的板面收缩率小于靠近树皮的板面，易形成与年轮方向相反的弯曲，即瓦弯；木材本身的纹理不垂直或加工的试件长度方向与树木长度方向不一致，干缩不均，易产生翘曲变形[15]。博白大果油茶木材的扭曲变形值为5.0～8.0 mm，均值为6.0 mm，综合评定为3级（表2）。

2.2.5 干燥速度

干燥速度是反映木材干燥难易程度的一个重要指标[15]。实际生产中，在确保干燥质量的前提下，提高干燥速度能节约干燥时间和降低干燥成本。博白大果油茶木材弦切板含水率从117.8%干燥至30%需7.9 h；从30%干燥至5%需12.7 h，平均干燥速度为1.97%/h；干燥速度综合评定为2级（图1、表3）。

图1 含水率变化曲线Fig.1 Change curve of moisture content

表3 百度试验法干燥速度Tab.3 Drying speed in 100℃test method

2.2.6 干缩特性分析

当细胞壁的吸着水从木材中排出，会引起木材的干缩。干缩试件（20 mm×20 mm×20 mm）的含水率快速变化主要发生在干燥初期，干燥至3 h时，试件的含水率从118.8%下降至6.5%，后期含水率变化缓慢（图2）；干缩主要发生在干燥初期，干燥至3 h时，弦向、径向和体积干缩率均快速增大，后期逐渐平缓，顺纹方向的干缩率变化较小（图3）。弦向、径向、顺纹和体积干缩率分别从0增至10.60%、3.70%、0.39%和14.30%。试件的干缩率变化与含水率变化呈负相关，干缩率随含水率的下降而增大。

图2 干缩试件含水率变化曲线Fig.2 Moisture content change curve of drying shrinkage specimen

图3 干缩率变化曲线Fig.3 Change curves of drying shrinkage

2.3 博白大果油茶木材干燥基准

根据百度试验法测定的干燥缺陷等级和干燥缺陷等级对应的干燥条件（表4），拟定博白大果油茶木材干燥的初期温度、初期干湿球温度差及干燥末期温度（表5）。木材初期的开裂程度一般与干燥初期干湿球温度差关系最大，与初期温度关系次之，与末期温度和末期干湿球温度差关系最小[15]。截面变形程度与干燥初期温度和干湿球温度差关系较大，与末期干湿球温度差关系较小[15]。内裂程度与干燥初期温湿度和末期温度关系较大，与末期湿度关系较小[16]。在制定干燥基准时，需充分考虑各阶段温湿度的变化，减少或避免干燥缺陷的产生，保证木材干燥的质量，缩短干燥时间，防止木制品在后期的使用中出现开裂和变形[17]。