试件选用数量对桉木含水率、密度以及干缩率测量的影响
2022-01-16刘云霞刘洪海
刘云霞， 刘洪海
(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)
木材干燥是保障和改善木材品质、减少木材损失，提高利用率的重要环节，木材干燥的方法有很多，如常规干燥[1-3]、高温干燥[4-6]、真空干燥、冷冻干燥[7-11]等等，现如今，我国干燥技术已经相当完善，干燥行业已经形成了一个完整的干燥体系[12-13]。
这些新兴干燥技术的试验操作过程中诸多因素都会影响到试验结果。含水率、密度以及干缩率都是衡量木材干燥质量的重要指标，直接影响到木材作为工艺品或家具材料的主要性能[14-18]。
桉木人工林在全世界范围内广泛种植，蓄积量大，是重要的人工林树种，具有很大的开发潜力[19-20]。本研究采用尾巨桉为试材，对其进行吸水、气干实验，研究从生材到饱水过程以及气干过程中，试件的数量对于桉木含水率、密度和干缩率的影响，为探究桉木干燥工艺参数提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)速生林木材，产自广西柳州。原木采伐后，立即用塑料薄膜包裹后放入冰柜冷藏保存。将桉木从端部开始锯截成首位连接的10块试件，规格为20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)。试件截锯图如图1所示。
图1 试件截锯图
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)；电子天平(FA2004，精度0.001 g，上海精密仪器有限公司)；数显g7-游标卡尺(日本三丰，精度0.01mm)。
1.3 试验方法
1.3.1 含水率测量
试验之前，先截取同一根木材中部，规格为50 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的三个试件为初含水率试片，参照GB/T 1931-2009，用烘干法测量试件的初含水率。称量初重m0后，放入鼓风干燥箱烘至绝干，称量其绝干重mg，由公式(1)计算其平均初含水率。计算得出试件的平均初含水率为100.5%。由公式(2)分别计算每块试件的理论绝干重量mg理。
MC0=m0-mg/mg×100%
(1)
mg理=m/(MC0+1)
(2)
式中：MC0为试件初含水率，%；m0为湿材重量，g；mg为绝干重量，g；mg理为理论绝干重量，g；m为初重，g。
将试件放入纯净水中，使其完全浸透，每隔一段时间测其重量m吸、纵向(L)、弦向(T)、径向(R)的尺寸，直至完全饱水状态重量不再增加。
将饱水状态的试件放至空气中进行气干处理，实验室的温湿度为：温度20 ℃，湿度55%，每隔一段时间测量其重量为m气，直至平衡状态重量不再增加。
当试件气干达到平衡状态后，将其放入鼓风干燥箱干燥至绝干，测量其实际绝干重mg实。
由公式(3)计算其吸水以及气干过程的含水率，并进行整理。
MC=(m-mg实)/m0理×100%
(3)
式中：MC为吸水以及气干过程含水率，%；m为吸水以及气干过程重量，g；mg实为实际绝干重，g。
1.3.2 桉木密度测量
当试件达到饱水状态重量不再增加的时候，测量此时的重量ms以及体积Vs，由公式(4)计算试件饱水密度。
ρs=ms/vs
(4)
式中：ρs为饱水密度，g/cm3；Ms为饱水质量，g；Vs为饱水体积，cm3。
试件截取后，测量此时的重量mg以及体积Vg，由公式(5)计算试件饱水密度。
ρg=mg/vg
(5)
式中：ρg为生材密度，g/cm3；mg为生材质量，g；vg为生材体积，cm3。
当气干试件含水率达到平衡含水率后，测量此时的重量mM以及体积VM，由公式(6)计算试件饱水密度。
ρM=mM/vM
(6)
式中：ρM为气干密度，g/cm3；mM为气干质量，g；vM为气干体积，cm3。
当气干试件含水率达到平衡含水率后，放入鼓风干燥箱烘至绝干，测量此时的重量m0以及体积V0，由公式(7)计算试件绝干密度。
ρ0=m0/v0
(7)
式中：ρ0为绝干密度，g/cm3；m0为绝干质量，g；V0为绝干体积，cm3。
由公式(8)计算试件基本密度。
ρb=m0/vg
(8)
式中：ρb为基本密度，g/cm3。
1.3.3 桉木干缩率测量
当气干到平衡含水率后，测量此时的L、R、T，由公式(9)计算其气干纵弦径向干缩率。
yM=(L1-Lm)/L1×100%
(9)
式中：yM为气干干缩率，%；L1湿材尺寸，mm；Lm为气干材尺寸，mm。
将试件烘至绝干后，测量此时的绝干尺寸L、R、T，由公式(10)计算其绝干纵弦径向干缩率。
yM=(L1-L0)/L1×100%
(10)
式中：yM为绝干干缩率，%；L0为绝干材尺寸，mm。
2 结果与分析
2.1 试件选用数量对桉木含水率测量的影响
将测得的吸水阶段含水率变化以及气干阶段含水率变化进行整理，分别取试件数量3、5、7、9进行分析，为保证分析结果不受事件本身初含水率不均的影响，第一组选取编号为2、6、10的3个试件，第二组选用编号为2、4、6、8、10的5个试件，第三组选用编号为1、2、3、5、6、7、9、10的9个试件。不同时间不同试件数量的含水率变化图如图2、图3所示，以及在不同试件选用数量条件下，所测得的数据误差值的变化如图4、图5所示。
图2 吸水阶段含水率变化
图3 气干阶段含水率变化
图4 吸水阶段含水率误差值变化
图5 气干阶段含水率误差值变化
由图2、图4可以看出，在吸水阶段，试件选用数量不同时，测得的平均含水率总体变化不大，但误差值有一定的变化。随着吸水阶段的进行，含水率增加的同时，每组误差都有很大程度的降低。同时，在试验开始时，含水率误差值随着试件数目的增加有明显降低的趋势，随着含水率趋于稳定，试件数目对于误差值的影响几乎没有。
图3、图5是气干阶段含水率极其误差值随试件选用数量的不同而变化的图。可以看出在气干阶段同吸水阶段一样，不同数量试件所测得的平均含水率差别并不明显，误差值在气干开始阶段随时间数目变化较为明显，随着试件达到FSP，含水率误差值都接近于0。
2.2 试件选用数量对桉木密度测量的影响
不同试件数量条件下的几种密度变化如图6所示。可以明显看出不同密度的平均值随试件数量的变化很小，相对于饱水密度、气干密度、绝干密度和基本密度而言，生材密度明显在误差值上有相对明显的变化。生材密度误差值随试件数量的变化如图7所示，可以看出随着试件数量的增长，密度误差值有明显的降低。
图6 不同密度变化
猜测发生这种现象的原因在于原材料内部水分的不均匀，饱水状态、气干材状态以及绝干状态，木材内部的水分分布均匀，故而时间数量对于平均密度影响不大。
图7 生材密度误差值
2.3 试件选用数量对桉木干缩率的影响
L、R、T方向气干干缩率和绝干干缩率在不同试件数量下的变化如图8、图9所示，可以看出，对于气干阶段来说，不同试件数量对于其干缩率的影响很小，对于误差值来说，只有弦向收缩率的误差值表现出随试件数量增加而降低的趋势。
图8 气干干缩率
图9 绝干干缩率
对于绝干干缩率，弦向和径向干缩率误差值都表现出明显的随试件数量增加而降低的趋势。而干缩率较小的纵向则关系不大。
3 结论
(1)试件数量对于桉木含水率、密度以及干缩率等指标测定的主要影响在于其误差值上，即试件选用数量越多，其指标测定误差值越小。
(2)木材内部水分分布越均匀，试件数量对于含水率、密度以及干缩率的测定的影响越小。
(3)尺寸变化越大，试件数量对于木材干缩率的影响越大，即试件选用数量对弦向干缩率测定的影响大于径向大于纵向。
